超声波在电镀中的应用及研究(3)
2.1 超声波作用类型
超声辐照作为一种辅助实验手段，大体可分为两种类型：直接超声和间接超声。两种类型装置各有优缺点。
2.1.1 直接超声
此类型反应器为探针系统，亦称为号角系统，也称变幅杆式声化学反应器。这种设备是将超声换能器驱动的变幅杆的发射端(也称探头)，直接浸入反应液体中，使声能直接进入反应体系，而不必通过清洗槽的反应器壁进行传递。其优点是能够将大量的能量直接输送到反应介质，通过改变输送到换能器的幅度加以调制。其缺点是探针尖的侵蚀和凹陷，使反应溶液污染。
2.1.2 间接超声
此类型反应器为超声浴槽，主要用于清洗反应器皿和电极等。经典的超声浴槽将换能器附接在浴底，也可将换能器浸在浴槽中。超声浴槽比较方便和廉价，广泛应用于超声化学研究中。与直接超声相比，使用间接超声到达反应器皿的超声功率相对较小。此外，由于到达反应介质的功率在很大程度上依赖于样品在浴槽中所放的位置，所以实验重现性差。使用浴槽体系的另一个缺点是反应器皿周围的流体的耦合使温度增加，使保持等温条件困难【5】。
2.2 超声波在电镀中的作用
2.2.1 促进电沉积过程
电镀过程中的搅拌过程，如旋转搅拌、循环流动等机械搅拌以及人工搅拌等都只能在一定程度上减小阴极附近扩散层的有效厚度。当超声波作用于镀液中以后，超声空化现象和振动作用相当于对镀液施加了一个异常强烈的搅拌作用，这种作用使阴极扩散层的有效厚度迅速减小，电极表面的金属离子浓度增加，沉积速度加快。也正是由于降低了浓差极化，在超声波电镀时允许使用较高的工作电流密度，从而使工作电流密度范围变宽，电镀的操作条件得以改善。此外，超声波的微射流还强化了镀液的扩散传质过程，大幅度提高了受扩散控制的镀液体系电沉积速度。
2.2.2 改善镀层质量
在电镀过程中，超声空化作用可使氢气进入空化泡或作为空化核，有利于氢气的析出。同时，超声空化产生的声冲击波不断地清洁电极表面，有利于驱除聚集在电极表面上的气泡 ，从而减少了镀层的孔隙，降低了镀层因析氢而产生的氢脆，减小了镀层的内应力，增加了镀层的致密性，提高了镀层质量。
2.2.3 促进微纳米颗粒的分散和沉积
在微纳米复合镀层的制备过程中，超声波对溶液中微纳米颗粒的搅拌分散作用远超过了机械搅拌所能达到的剧烈程度，这对微粒的分散效果尤其明显。超声波产生的声波可使悬浮在溶液中的微粒在宏观上均匀分布，而空化效应所产生的高压激波及强烈的随机振荡可粉碎团聚状的粒子群，使微粒进一步得到分散而均匀化，改善了微粒在镀液中的分散性。此外，在复合镀层的电沉积中常加入一些表面活性剂使微粒带电，超声空化效应和超声传播过程中产生的微射流可以清洗干净原本吸附在微粒表面的气体和杂质，改善了微粒与镀液的润湿条件，使其更容易吸附带电的表面活性剂离子，从而使微粒在阴极上的沉积量增多，促进了微粒与金属离子的共沉积，有利于形成均匀、致密而平整的复合镀层。
2.3 超声波作用下电镀单质金属
超声波条件下制备的镀层具有晶粒精细致密、硬度高、耐腐蚀性好和内应力小等优点，已经应用于镍、铜等单质金属镀层和合金镀层的制备，采用超声波可以提高生产效率，改善镀层表面质量，优化镀层性能【6】。超声波技术在电沉积镍、铜、锌、金等单质金属镀层中都获得了应用。Kobayashi等采用极化曲线和交流阻抗等方法研究了超声波对电镀镍的影响。结果表明，在电沉积过程中超声波可以加快金属与电镀液界面间的电荷传质过程。在瓦特镀镍溶液中，超声波可以明显地改变电沉积层的结晶取向，同时超声波也使阴极过电位降低几十毫伏，交换电流密度增加30倍以上，其影响程度与超声频率有关。Chiba等[7]的研究结果表明，当采用氨基磺酸盐镀镍时，超声波对结晶取向影响不大，但能细化晶粒、降低镀层粗糙度。Matins等[8]利用超声波搅拌在铁基体上采用酸性硫酸盐溶液电镀铜，实验结果表明，与无搅拌和机械搅拌时的电镀相比，随着超声波搅拌作用的增强，其电流效率、镀层的硬度、镀层的光亮度以及镀层与基体的结合力等都有明显提高。Hong等[9]比较了有无超声波存在时，钛合金在水溶液和有机溶液中电镀铜层的性质。结果表明，超声波减少了铜层的内应力。Prasad等[10]利用酸性氯化物镀液在低碳钢上进行了镀锌研究，结果表明：超声波作用除了可以提高镀层的硬度之外，还可显著增强镀层的抗蚀性能。这主要归结于超声振动减少了镀层的孔隙率，改变了镀层的表面形态。Dobrev等[11]采用超声波电镀技术沉积了单晶金，结果表明，当沉积电流为直流电时，超声波产生的去极化作用有助于单晶金的长大；而当沉积电流为脉冲电流时，超声波对镀层晶粒长大的促进作用不是很明显。Mason等[12]对超声波电镀铬的研究表明，超声波可以明显减少电镀铬过程中有害的铬酸雾的喷射，特别是在高电流密度条件下，可代替化学添加剂，这为控制镀铬液的雾化喷射提供了一种有效的方法，同时也提高了电镀效率。Tang等[13]利用超声波技术在二氧化硅球体表面电沉积了一层d为8-10nm的银镀层，镀层均匀平整。Ohsaka等[14]研究了超声波对电镀铱的影响。结果表明，当存在超声波时，镀液中不管有无甘油作为添加剂，都可以明显减少诸如裂纹等镀层缺陷[15]。
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