楊 光， 皮 鈞

（集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

反光膜微結(jié)構(gòu)陣列電鑄電流密度分析

楊 光， 皮 鈞

（集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

為了獲得高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)陣列反光膜產(chǎn)品，控制電鑄過(guò)程尤為重要。芯模所在陰極表面的電流密度分布直接影響電沉積層的質(zhì)量。對(duì)不同形狀的芯模和不同極板間距的微棱結(jié)構(gòu)電鑄系統(tǒng)，利用有限元方法分析了陰極表面的電流密度。結(jié)果表明：極板間距直接影響電流密度分布，計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果吻合；芯模棱錐頂角發(fā)生變化，該位置處的電流密度變化不大；芯模棱錐深寬比對(duì)電流密度分布影響很大；當(dāng)棱錐側(cè)面與基板夾角為銳角時(shí)，凹槽處很難電鑄。實(shí)際微棱電鑄結(jié)果說(shuō)明了仿真的可靠性。

微結(jié)構(gòu)陣列；棱錐角度；極板間距；電流密度分布

0 前言

反光微棱是利用光學(xué)原理，能把光線逆反射回光源處的一種特殊結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的微棱尺寸在60～100μm。微棱結(jié)構(gòu)反光產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，常見(jiàn)的有交通標(biāo)志、安全警示防護(hù)服、海事救助設(shè)施、箱包、鞋帽、運(yùn)動(dòng)休閑服飾和廣告噴繪布等［1］。微棱結(jié)構(gòu)反光原理為：光線經(jīng)微棱側(cè)表面射入，經(jīng)過(guò)三次反射后平行射出。反光微棱的每一微晶立方體聯(lián)結(jié)排列后，在1cm2的材料面積上有930個(gè)以上的微晶立方體。這種密集的微棱排列，形成了強(qiáng)反光效果。

微棱反光膜成型工藝為：利用微切削技術(shù)或者刻蝕技術(shù)得到芯模［2］，芯模經(jīng)過(guò)電沉積后得到工作模，最后在工作模上滾壓或者熱壓PVC等材料制成反光產(chǎn)品。其產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵取決于芯模質(zhì)量和電鑄質(zhì)量。電鑄工藝過(guò)程較復(fù)雜，影響因素很多，其中電場(chǎng)分布是重要的影響因素［3－5］。本文就微棱反光結(jié)構(gòu)電鑄時(shí)的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，獲得其影響因素及規(guī)律，為得到質(zhì)量較好的電鑄微細(xì)反光結(jié)構(gòu)提供參考。

1 反光微棱電鑄原理

電鑄技術(shù)是一種基于電沉積原理，使來(lái)自金屬鹽溶液或陽(yáng)極的金屬陽(yáng)離子在電場(chǎng)力的作用下遷移到陰極獲得電子還原成原子，并沉積于涂有脫模劑的陰極母模表面［6］，最后沉積金屬與母模完全分離，從而獲得產(chǎn)品的制造技術(shù)。反光微棱芯模表面為細(xì)小的微棱陣列。衡量電鑄層質(zhì)量的因素包括層厚、均勻性、形狀復(fù)制精度、表面粗糙度等。電鑄過(guò)程中電流密度、芯模微結(jié)構(gòu)形狀、極板間距、電解液的成分和濃度、溶液pH值、溶液攪拌情況等因素都會(huì)影響電鑄層的質(zhì)量［7］。近些年，針對(duì)微結(jié)構(gòu)電鑄層的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量的研究［8－9］。

2 電流密度對(duì)電沉積過(guò)程的影響分析

根據(jù)法拉第電解定律，在直流回路中，電流通過(guò)鍍液，在陰、陽(yáng)極引起化學(xué)反應(yīng)。在陰、陽(yáng)極析出物質(zhì)的量與通過(guò)的電量成正比［10］。

式中：△m為電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)沉積量；K為電化學(xué)當(dāng)量；Q為通過(guò)的電量，它等于電路中通過(guò)的電流I和通電時(shí)間t的乘積。因此，被鍍金屬在陰極表面各部位的沉積量取決于電流在陰極的分布情況。另外，沉積量還受電流效率的影響。對(duì)于某電鍍過(guò)程，當(dāng)通電時(shí)間一定時(shí)，陰極上某部位的鍍層厚度與該部位的電流密度和電流效率成正比［10］。

式中：δ為鍍層厚度；J為電流密度；η為在該電流密度下的電流效率；k為比例系數(shù)。通常情況下，電流效率的影響非常小，而電流密度的變化卻非常大。因此，影響沉積層生長(zhǎng)的主要因素是陰極上的電流密度分布狀況。

3 陰極上的電流密度分布

3.1 極板間距對(duì)電流密度的影響

要實(shí)現(xiàn)各種微細(xì)形狀芯模陰極上電流密度分布的均勻性，試驗(yàn)需要較大的工作量、較長(zhǎng)的工作周期和較高的費(fèi)用。因此，電流密度分布的數(shù)值計(jì)算凸顯了它的優(yōu)越性。其中有限元法為多數(shù)研究者所用［11－12］。

微棱電鑄電場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)恒定電場(chǎng)。設(shè)定溶液的電阻率為0.02V/m，陽(yáng)極及陰極導(dǎo)電部分的電阻率為1.58×10－8V/m。為了對(duì)比，首先研究陰極為平板的情況。所用陰極為25cm×25cm的芯模。施加4V電壓，經(jīng)過(guò)ANSYS分析后，電場(chǎng)電流密度的分布，如圖1所示。

圖1 平板電鑄電場(chǎng)分布

由圖1可知：除陰極板邊緣外，其上絕大部分的電流密度分布是均勻的，因此，可以采用將芯模置于陰極中心處的方法獲得均勻的沉積層。另外，圖1（a）中，當(dāng)兩極板之間的距離為30mm時(shí)，電解槽中間位置的電場(chǎng)出現(xiàn)瓶頸減弱狀態(tài)；圖1（b）中，當(dāng)兩極板之間的距離為22mm時(shí)，極板間電場(chǎng)分布較均勻。為了考察沉積層處電流密度與極板間距之間的關(guān)系，仿真和磁探頭傳感器測(cè)試得到陰極板中心位置的電流密度J隨兩極板間距離a的變化，如圖2所示。

圖2 極板間距對(duì)電流密度的影響

由圖2可知：當(dāng)兩極板尺寸相同時(shí)，隨著極板間距的增大，陰極中心處的電流密度減小。因此，適當(dāng)?shù)臉O板間距是控制電沉積速率的重要因素。計(jì)算值略大于測(cè)試值。這是因?yàn)閷?shí)際電鑄時(shí)，電解液的純度、陽(yáng)極及陰極材質(zhì)的均勻性等對(duì)電鑄過(guò)程有影響。

3.2 銳角微棱時(shí)陰極電場(chǎng)分布

對(duì)于反光膜，陰極表面采用微棱錐結(jié)構(gòu)。由于電流密度分布的尖端效應(yīng)，陰極附近電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，因此，分析微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)電流密度的影響是必要的。對(duì)于棱錐側(cè)面頂角為銳角的情況（正棱錐陣列，微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角為60°），當(dāng)極板間距為30mm時(shí)，芯模部位電流密度分布，如圖3所示。棱錐頂部和底部的電流密度，如表1所示。

圖3 銳角三棱錐陰極電場(chǎng)分布（距離30mm）

表1 銳角棱錐電流密度

由表1可知：棱錐頂部和底部的電流密度相差極大，其底部的電流密度非常小。當(dāng)兩極板間的距離為10mm時(shí)，棱錐頂部的電流密度達(dá)到11 000 A/m2，底部的僅為0.486A/m2；當(dāng)兩極板間的距離為30mm時(shí)，棱錐頂部的電流密度為1 800A/m2，底部的為0.110A/m2。相差懸殊的電流密度分布嚴(yán)重影響沉積層的沉積過(guò)程，電沉積過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)頂部生長(zhǎng)過(guò)快、底部生長(zhǎng)太慢的現(xiàn)象，不利于電沉積的形核和結(jié)晶，難以獲得較高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)，甚至在局部區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)電鑄沉積。因此，對(duì)于高寬相同的銳角棱錐結(jié)構(gòu)（同時(shí)，微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角為銳角），必須采取輔助手段改善電流密度分布。

3.3 直角微棱時(shí)陰極電場(chǎng)分布

當(dāng)反光芯模棱錐為直角時(shí)（棱錐深寬比為0.5，微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角為90°），分別計(jì)算極板間距為30mm和15mm的情況，陰極處電流密度分布，如圖4所示。

圖4 直角三棱錐陰極電場(chǎng)分布

由圖4可知：直角棱錐陰極處同樣反映出明顯的尖端電流效應(yīng)，而且隨著極板間距的變化，陰極處電流密度分布發(fā)生變化。直角棱錐頂部和底部的電流密度隨極板間距的變化，如圖5所示。數(shù)據(jù)顯示：其數(shù)值相差1個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)比銳角棱錐的差值小。另外，對(duì)比銳角棱錐和直角棱錐，發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的深寬比和微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角對(duì)電流密度的分布影響較大。深寬比較小的直角棱錐，同時(shí)微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角為鈍角，其電流密度分布較均勻，有利于得到厚度較均勻的沉積層。

圖5 直角棱錐的電流密度隨極板間距的變化

對(duì)比了銳角棱錐和直角棱錐頂部的電流密度。在極板相距10mm時(shí)，兩者分別為11 000A/m2和7 560A/m2，為1.46倍。隨著極板間距的增加，兩者相差不大，說(shuō)明棱錐頂角、深寬比和微結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角對(duì)棱錐底部電流密度的影響是最大的。

分別利用上述銳角和直角芯模同時(shí)進(jìn)行電鑄試驗(yàn)，芯模尺寸為25cm×25cm，極板間距為20mm，氨基磺酸鹽電解液550g/L，溫度50℃，鍍槽pH＝4。電鑄后樣品放大，三維形貌，如圖6（a）和6（b）所示；二維形貌，如圖6（c）和6（d）所示。

圖6 電鑄樣品

由圖6可知：銳角棱錐芯模電鑄的沉積層，棱錐體生長(zhǎng)不均勻，截面輪廓尺寸相差較大；直角芯模電沉積層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)均勻，截面輪廓尺寸相差不大。

4 結(jié)論

（1）陰極上的電流密度及其分布對(duì)電沉積過(guò)程和沉積層質(zhì)量有重要影響：電流密度與陰極表面金屬層的沉積厚度成正比；電流密度大的區(qū)域沉積層較厚；電流密度分布均勻，則沉積層晶粒組織分布也較均勻。

（2）反光微棱結(jié)構(gòu)形狀和尺寸對(duì)電流密度分布有影響：微棱頂部和底部的電流密度分布極不均勻；在極板間距一定時(shí)，微棱頂角發(fā)生變化，但頂部的電流密度變化不大，底部的電流密度變化顯著；反光微棱結(jié)構(gòu)深寬比對(duì)電流密度分布影響顯著，深寬比小的結(jié)構(gòu)，電流密度分布較均勻。因此，設(shè)計(jì)微棱反光產(chǎn)品時(shí)，要考慮其結(jié)構(gòu)對(duì)電鑄沉積層質(zhì)量的影響，合理設(shè)計(jì)深寬比，還可以采用充分?jǐn)嚢璧容o助工藝減輕其不均勻性。

（3）微棱結(jié)構(gòu)側(cè)壁與陰極導(dǎo)電基底的夾角對(duì)陰極電場(chǎng)分布影響較大：此夾角為鈍角時(shí)，電流密度分布較均勻；此夾角為銳角時(shí)，微棱頂部與底部的電流密度分布嚴(yán)重不均。因此，設(shè)計(jì)微棱結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意避免側(cè)壁與基板出現(xiàn)銳角。

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An Analysis of Current Density Distribution in Microstructure Array Electroforming of Reflective Membrane

YANG Guang， PⅠ Jun
（College of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China）

In order to get high quality microstructure array reflective membrane products，control of electroforming process is particularly important.The current density distribution in cathode surface where the core module resides directly affects the quality of electrodeposits.For micro prism structure electroforming systems with different core mould shapes and different electrode plate distances，the current density in the cathode surface was analyzed by using finite element method.The results show that the distance between electrode plates directly affects the current density distribution，the calculated values are accord with the experimental results；when the apical angle changes，the current density in this position only has a slight change；the depth to width ratio of core mould pyramid has a great influence on the current density distribution；when the angle between the pyramid side and the substrate is an acute angle，electroforming is difficult in grooves.The results of actual micro prism electroforming illustrate the reliability of simulation.

microstructure array；pyramid angle；distance between electrode plates；current density distribution

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51175225）；福建省工業(yè)科技重點(diǎn)項(xiàng)目（No.2013H0031）

TQ 153.4

A

1000-4742（2014）03-0022-04

2012-09-26