温度对电沉积中枝晶分形生长的影响

　　金属电沉积或凝固过程中产生的枝状晶具有形式上的对称性和实质上难以理解的复杂性,并且这一非线性的生长问题用传统的欧氏几何来处理是十分困难的,甚至于无法获得数值解。分形几何学的建立为这一研究提供了新的思路[1],尤其是分形究可以利用计算机进行模拟、计算,这样把电极理论中的实验与理论同现代最先进的科学技术结合在一起,通过模拟,推导出一些理论上的计算公式,解决了一些经典电化学未能顾及的问题,使人们从另一个角度来了解电极过程动力学[2],以最终实现电沉积产物形态的可控生长,这无疑有利于错综复杂的工业过程的顺利进行以及得到优质的产品。

　　自1984年Matsushita等[3]把有限扩散凝聚模型(diffusion-limited aggregation,DLA)成功地应用到金属锌二维电化学沉积过程和分形结构以后,国内外大量研究人员利用该模型来模拟单个凝聚体的分形生长,并利用圆形电解池点阴极电沉积的方法成功制备了各种金属的二维枝晶来加以验证[4],但迄今为止,还未有人研究过圆形电解池点阳极电沉积时枝晶的生长机理。

　　笔者基于DLA模型的思想,分别模拟了点阴极和=点阳极电沉积中枝晶的分形生长,并采用圆形电解池点阴极电沉积和点阳极射流电沉积的方法分别研究了温度对电沉积中金属镍枝晶二维分形生长行为特性的影响,并从分形维数的角度对其进行分析,从而为枝晶电沉积的研究提供了一种很好的试验和分析方法。

　　1　模拟方法和试验手段

　　1·1　电沉积中枝晶分形生长的模拟方法

　　DLA模型是T. A. W itten和L. M. Sander[5]于1981提出的,用于描述分形生长的机制。该模型是用来模拟单个凝聚体的分形生长。按照DLA模型,通过简单的运动学和动力学方程就可以产生出具有标度不变性的自相似的分形结构,从而可以把分形理论和试验观察联系起来,在一定程度上揭示出实际体系中分形生长的机理[6]。

　　笔者基于MicrosoftVisualC++6·0编程,实现了圆形电解池点阴极和点阳极电沉积中枝晶二维生长的模拟。考虑到实际的电沉积过程存在各种非常复杂的因素,简单的DLA模型难以正确表述金属离子在阴极的沉积过程[7],为了能恰当表述圆形电解池点阴极和点阳极电沉积过程中金属离子在阴极的还原情况。笔者利用改进的DLA模型实现了圆形电解池点阴极电沉积枝晶的模拟,并基于DLA模型的思想提出了圆形电解池点阳极电沉积中枝晶分形生长的模型,模拟中同时考虑了金属离子在电场力作用下的移动、电解液射流以及在阴极发生还原反应几率的不同等方面因素。

　　1·2　点阴极和点阳极电沉积的试验方法