脈沖電鍍的含義

點擊數：74342018-05-21 15:34:04　來源: 邯鄲市大舜電鍍設備有限公司|脈沖電鍍電源系列|滾鍍機系列|振鍍機系列|直流電鍍電源系列

1 概述

脈沖電鍍是槽外控制金屬電沉積的一個強有力的手段。它利用時間功能通過改變脈沖參數來改善鍍層的物理化學性能，從而達到節約貴金屬和獲得功能性鍍層的目的。脈沖電鍍屬于一種調制電流電鍍，它所使用的電流是一個起伏或通斷的直流沖擊電流，所以，脈沖電鍍實質上是一種通斷直流電鍍。脈沖電流的波形有多種，常見的有方波、三角波、鋸齒波、階梯波（圖1）等。但就目前的應用情況來看，典型脈沖電源產生的方波脈沖電流被普遍采用。因此，對脈沖電鍍的研究一般都是圍繞著方波進行的。

    a.方波    b.三角波   c.鋸齒波    d.階梯波      

2 調制電流電鍍

傳統的電鍍采用的電流形式一般為直流電流，簡稱DC。直流電流是一種電流方向不隨時間改變的、連續的平穩電流。直流電流常見的波形有單相半波、單相全波、三相半波、三相全波、直流或穩恒電流（圖2）等，產生這些波形常用的電源有硅整流器、可控硅整流器、高頻開關電源等。從圖2中不難看出，直流電流具有連續性或持續性，不隨時間的改變而中斷或有所變化，因而使用時只有一個參數——電流或電壓可供調節。這就使得直流電流在做為槽外控制鍍層質量的手段時力量不足。比如直流電流在提高陰極電流密度、抑制副反應的產生、降低鍍層中雜質的含量、改善電流分布等方面均毫無作用。

 圖2  常見的直流電流波形

a.單相半波  b.單相全波  c.三相半波  d.三相全波  e.直流或穩恒電流

經脈沖信號或其它交變信號調制以后的直流電流叫調制電流，用調制電流所進行的電鍍即調制電流電鍍。調制電流電鍍主要是做為槽外控制鍍層質量的手段而產生和存在的，它往往可以起到直流電鍍所起不到的作用。比如，脈沖電鍍比直流電鍍陰極電流密度提高幾倍甚至十幾倍，因而可得到結晶細致的鍍層。調制電流電鍍一般有脈沖電鍍、不對稱交流電鍍、交直流疊加電鍍、周期換向直流電鍍（圖3）等幾種形式。

圖3  常見的幾種調制電流波形

a.不對稱交流  b.交直流疊加  c.周期換向直流  d.方波交流電

脈沖電鍍所使用的電流實際就是一個通斷直流電，不過這個直流電在導通的時候峰值電流相當于普通直流電流的幾倍甚至十幾倍，正是這個瞬時高電流密度使金屬離子在極高的過電位下還原，從而使沉積層晶粒變細。脈沖電鍍廣泛應用于電子工業的電子電路、接插件、印制電路、集成電路框架、晶體管管座等的電鍍，可大大提高這些電子器件的產品性能，并可大幅度節約貴金屬。脈沖電鍍是目前應用最多且收益最大的一種調制電流電鍍。

3 脈沖的含義

脈沖這個詞，從字面上看，“脈”含有“脈動”、“起伏”的意思，“沖”含有“沖擊”、“短促”的意思，原本是指無線電技術中作用時間很短而間隔時間又較長的電壓或電流波形，或者是指電工電子技術中的一種間歇信號。但脈沖的概念在電鍍技術中卻有著不同的說法。從脈沖的含義上看，脈沖電流應該是一個起伏或通斷的、離散式的、非連續的直流沖擊電流，如方波、三角波、鋸齒波等脈沖電流。若不符合此含義則不應屬于脈沖的范疇，如不對稱交流等調制電流。

但諧波激勵的觀點認為，任何一個周期脈沖，都是由各種不同頻率的正弦波，按不同的振幅與相位疊加而成的。從這個意義上講，不對稱交流等調制電流也是一種脈沖電流，他們所進行的電鍍也均屬于脈沖電鍍的范疇。從諧波分析的角度看，這個觀點是完全正確的。脈沖供電為鍍槽提供了豐富的諧波電流分量，這種暫態的諧波激勵影響著電極過程，構成了脈沖電鍍的實質。但是，從脈沖的含義上分析，卻怎么也無法將不對稱交流電鍍等與脈沖電鍍劃上等號。如果將脈沖的通斷電流定義為正向電流之后緊接著一個反向電流，或者將反向電流的持續時間說成是脈沖的關斷期，則未免有些牽強附會。因此，盡管認同不對稱交流電鍍等確實屬于脈沖電鍍的范疇，但也只能從諧波激勵的角度去談，而不能曲解某些定義去應和脈沖的含義。脈沖，就是一種通斷電，通的時候幅度大時間短，斷的時候電流為零或者說是一種停止，而不應是一種陽極過程。筆者并非有意要將不對稱交流等調制電流電鍍排除在脈沖電鍍之外，其實，到底怎么劃分它們并不重要，重要的是怎樣才能使這些特殊的電鍍技術更利于自身的發展，更利于生產中的應用。如果將不對稱電流電鍍等與脈沖電鍍并列為調制電流電鍍的一種形式，則會更利于對脈沖電鍍常規的理解和認識，更利于脈沖電鍍技術在實際生產中的進一步推廣和應用。

所以，脈沖電鍍所使用的電流是一個通斷的直流沖擊電流，它和不對稱交流電鍍、交直流疊加電鍍、周期換向直流電鍍等一樣，都是調制電流電鍍的一種形式。

另外，關于單相半波是不是脈沖的問題也有不同的看法。單相半波從形式上看是一種脈沖（圖2a），但由于其頻率固定，電流持續及關斷時間均不能調節，因而在實際應用中往往起不到脈沖的效果。即使有時允許使用高一些的電流密度上限值，但由于其電流少了半周，生產效率往往降低很多。所以，單相半波仍然被看做是一種普通的直流電流形式。
 
    

4 脈沖波形

脈沖的波形有多種，常見的有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等。目前，關于脈沖控制下的不同波形對鍍層性能影響的內在規律尚不十分清楚，也無法從電化學理論上提出對控制波形的明確要求。因此，只有根據現有的實踐經驗提出確定脈沖波形的幾點原則：

（1）實鍍效果  實鍍效果是確定脈沖波形的首要原則，因為如果實鍍效果不好，無論怎樣也不能做為脈沖的選定波形。

（2）便于分析和研究  為了使脈沖技術更好地服務于生產，需要對脈沖波形進行分析、研究，總結出其內在的規律甚至是具體的數學計算公式。如果脈沖波形太復雜，則分析起來就會很不方便。因此，脈沖波形應該具有最簡單的幾何形狀。

（3）易于獲得和調控  很顯然，脈沖波形越復雜，產生起來就越困難，設備投資就越大，就越難于在工業生產中推廣和應用。因此，電鍍工作者在對脈沖波形提出要求時，應考慮什么樣的波形最容易獲得。另外，對脈沖參數的調控是否方便也是很重要的一點。

（4）便于推廣  太復雜的波形，不僅分析總結起來比較困難，對脈沖技術的推廣和脈沖知識的普及也會增加一定的難度。因此，只有簡單易懂的脈沖波形及其相應的理論性知識才易于被更多的使用者所接受。

從以上的幾點分析來看，方波脈沖最符合要求，因此它在工業生產中的應用也最為普遍，對脈沖電鍍的研究也就圍繞著方波展開和進行。方波，也有資料或電鍍工作者稱之為矩形波，那么，應該怎樣認識和理解它們呢？狹義的方波是指四個邊長都相等的正方形波形（圖4）。而脈沖電鍍中提到的方波是一種廣義的方波，它是指包括正方形波形和相鄰兩邊不相等的長方形波形（圖1a）在內的矩形波形的總稱。因此，方波嚴格地講應該叫作矩形波，只是由于人們的習慣一直沿用了這樣的叫法。但是必須清楚地認識到，在脈沖電鍍中一提到方波，就是指矩形波，兩者只是叫法不同，沒有本質的區別。

5 脈沖電鍍的基本原理

從上文的分析中可知，脈沖電流是一個通斷的直流沖擊電流，那么，使用脈沖電流所進行的電鍍過程就是脈沖電鍍。典型的方波脈沖電流如圖5所示，從圖中不難看出，脈沖電鍍實質上是一種通斷直流電鍍。

那么，脈沖電鍍使用這種通斷直流電流的意義何在呢？這要從脈沖電鍍的基本參數談起。

傳統的直流電鍍只有一個參數——電流或電壓可供調節。而脈沖電鍍除了電流或電壓之外，還有脈沖導通時間（即脈寬）Ton和脈沖關斷時間Toff可供調節，這就為脈沖電鍍做為槽外控制鍍層質量的手段提供了條件。由脈沖導通時間Ton和關斷時間Toff可以引出兩個脈沖電鍍中的重要概念 ——脈沖頻率?和脈沖占空比γ。脈沖頻率?＝1/θ=1/(Ton+Toff),θ為脈沖周期。脈沖占空比γ等于導通時間Ton與脈沖周期θ之比，即γ＝Ton/θ×100%=Ton/(Ton+Toff)×100%。而脈沖電鍍時通過鍍槽的平均電流密度jm,脈沖電流密度（即峰值電流密度）jp和脈沖占空比γ三者之間存在如下關系：

         jm＝jp·γ

從上式中可以看出，平均電流密度jm一定時，峰值電流密度jp會根據γ的不同而不同。例如，當jm＝1A時,若γ＝10%則jp＝10A,若γ=20%則jp=5A,若γ＝100%則jp=jm＝1A,γ=100%即為直流。

因此，在脈沖導通期Ton內，脈沖峰值電流相當于普通直流電流的幾倍甚至十幾倍。高的電流密度所導致的高過電位使陰極表面吸附原子的總數相當高于直流電沉積，其結果使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率，從而形成具有較細晶粒結構的沉積層。另外，高的過電位還能降低析出電位較負金屬電沉積時析氫等副反應所占的比例。

但是，高的過電位使陰極區附近金屬離子以極快的速度被消耗，當消耗至陰極界面濃度為零或很低時，電沉積過程進入關斷期Toff。應當指出，這里所說的關斷是指脈沖電流為零。在關斷時間內，金屬離子有暇穿過外穩態擴散層向陰極區附近傳遞從而使脈動擴散層的濃度得以回升。而脈動擴散層金屬離子濃度的回升，又有利于下一個脈沖周期使用較高的峰值電流密度。這樣的話，從以上分析看，脈沖關斷期Toff是一個動態的過程而非真正的靜止。這個動態過程的存在不僅有利于陰極區附近金屬離子濃度的恢復，而且還會產生一些對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。比如，脈沖導通期內吸附于陰極表面的氫或雜質可以在關斷期內脫附返回溶液中，從而可以減小氫脆和得到純度高的鍍層。因此，孤立地把關斷時間看成是一個“死時間”顯然是不對的，關斷時間內所進行的過程是一個非?；钴S的動態過程。

脈沖電鍍過程中，當電流導通時，電化學極化增大，陰極區附近金屬離子充分被沉積；當電流關斷時，陰極區附近放電離子又恢復到初始濃度，濃差極化消除，并伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。這樣的過程周期性地貫穿于整個電鍍過程的始末，其中所包含的機理構成了脈沖電鍍的最基本原理。