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關注創建者:項校長 創建時間:2015-10-12

沉積學的實例教程
這些導線可以利用電沉積工藝進行印制,因為這項工藝能夠通過電化學反應改變器件表面。為了提高面向電路板制造的電沉積技術,工程師可以借助數值建模。
利用電沉積制造印刷電路板
簡而言之,電沉積是一種使用其他材料給基底上涂層的電化學過程。這種工藝兼具裝飾功能和實用功能,可用于各種不同領域,如電子、采礦和納米技術。電鍍屬于電沉積的一種,主要用途是電路板制造。
PCB 通常由一層或多層銅制成,這些銅沉積在非導電基底之上或之間。銅層被分割成導線或在 PCB 中傳輸信號的走線。在印制這些圖形線路時,工程師會將銅電鍍到電路板上的微腔中。
PCB 實例。圖片來自 AB Open。在 CC BY 2.0 許可下使用,通過 Flickr Creative Commons 分享。
利用電鍍工藝制造 PCB 需要克服許多難題。舉例來說,如果 PCB 表面的鍍銅速率發生變化,可能會導致性能問題甚至是設備故障。為了找到并消除電鍍過程中的問題,工程師可以使用 COMSOL Multiphysics? 軟件和附加的“電鍍模塊”。
分析電路板溝槽中銅的電化學沉積過程
本文的示例模擬了帶細小溝槽或微腔的電路板上的銅電化學沉積過程。在恒電位控制下的實驗室電池充當了電鍍電池,陽極與陰極相互靠近。沉積發生后,陰極和陽極的邊界開始移動,因此仿真本質上依賴于時間。另外,陰極表面的鍍銅沉積速率是不均勻的。
此模型是電沉積的基準模型,它充分說明了 COMSOL? 軟件在求解涉及變形幾何的電化學問題方面的強大能力。此例使用變形幾何分析了電鍍過程及空腔對電鍍結果的影響。通過使用變形幾何,工程師能夠研究在電鍍過程中陰極邊界的生長過程。
銅沉積的幾何模型。垂直的壁表示主電極的圖案,壁為絕緣體。
展開 然而,注氣提高采收率的采用有可能引起瀝青質沉積,從而嚴重地影響生產。國外生產實踐表明,在注氣驅油過程中,氣體的注入極易引發原油中瀝青質膠質和石蠟等重有機物的沉積。因此,本文通過MS軟件進行分子動力學模擬,分析瀝青質沉積對CO2驅油的效果。
1. 建立基礎模型
通過MS的建模功能,構建出,樹脂,瀝青質和烷烴等模型,瀝青質-Fe模型,以及在體系內填充CO2后的模型。
2. 下一步對體系進行優化,使體系能量達到最穩定的狀態。
在Geometry Optimization optimization會話框里設置Algorithm算法為Smart,實際模擬時可參考文獻中的信息來選擇;對Convergence tolerance收斂公差進行設置,點擊Quality設置為Ultra-fine,后面的Energy、Force、Displacement幾個參數自動進行調整;設置Max.iterations最大迭代次數為50000。
3. 對體系進行分子動力學模擬。
使用力場為文獻中常用的COMPASS力場,對體系分別進行200ps的NVT和200PS的NPT(可進行不同溫度以及壓力下的模擬)分子動力學模擬。對最終輸出的體系進行500PS的NVE分子動力學體系。收集其MSD和RDF,以及擴散系數。
如圖為分子動力學模擬后的模型圖(部分圖):
4. 如圖為通過MS腳本計算各物質之間的相互作用:
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展開 與常規單策略調控電化學過程中鋅晶體成核策略不同,官能化的柔性凝膠電解質可以多方面協同實現對鋅負極的穩定:一方面,凝膠電解質中帶電基團不僅為鋅離子的高效遷移構筑通道,還可以均勻鋅負極的界面電場,優化Zn2+的沉積動力學,誘導電化學沉積過程中Zn(002)晶面優先生長。另一方面,Zn2+的溶劑化結構被帶電基團重構,進一步消除了循環過程中的副反應。基于兩性離子帶電官能團的協同調控作用,PZIB凝膠電解質結構提供了高離子電導率(21.88 mS cm-1)和Zn2+遷移數(0.74);在高電流密度7.5 mA cm-2下,Zn/Zn電池累計容量高達3000 mA h cm-2,顯著高于液態電解質及目前大多數用于穩定鋅負極的策略所報道的電化學性能。同時,基于PZIB凝膠電解質組裝的柔性器件可以適用于各種機械變形并提供穩定的高電化學性能。這項工作為電化學過程中調控鋅沉積的成核晶體提供了新的見解,并為設計安全、實用、可穿戴的高性能水系鋅基儲能設備提供新的思路。
圖1. 液態電解質(a)及PZIB凝膠電解質(b)誘導Zn2+沉積示意圖
作者通過在BC膜上一步原位光聚VIPS單體制備PZIB凝膠電解質。其中,BC膜為凝膠電解質提供機械支撐,而PVIPS鏈貫穿于BC網絡中,為凝膠電解質提供官能化。X-射線光電子能譜、核磁共振譜、拉曼光譜及紅外光譜顯示出PZIB凝膠電解質中鋅離子的溶劑化結構[Zn(H2O)6]2+被PVIPS上的帶電基團(SO3-)重構為R-SO3- [Zn(H2O)4]2+ -SO3-R,這將改善鋅離子的沉積動力學,并進一步減少由水引發的一系列副反應。
圖2.
展開 DMSO的加入重構了Zn2+溶劑化結構,優化了Zn2+的沉積動力學,有效實現了對鋅枝晶和副反應抑制。同時,DMSO通過調節水的氫鍵降低了電解液的冰點,使鋅離子電池在寬溫度范圍內均表現出優異的性能:對稱Zn/Zn電池分別在20℃和-20℃能夠穩定電鍍/剝離超過2100 h和1200 h,Zn/MnO2電池在20℃和-20℃能夠分別穩定充放電超過3000個循環和 300個循環。
圖1. DMSO添加前后Zn2+溶劑化結構及沉積行為的相應示意圖。
作者通過紅外、拉曼光譜及核磁共振譜詳細表征了DMSO添加劑對混合電解液氫鍵和Zn2+溶劑化結構的影響:1)體系中的氫鍵重構,原H2O與H2O之間的氫鍵(H-O····H-O)被破環,DMSO與H2O之間氫鍵(S=O····H-O)形成,有利于降低電解液的冰點,也可以減少電化學循環過程中由水引起的一系列的副反應;2)與H2O相比,在ZnSO4存在時DMSO加入后1H更加明顯的位移證實了DMSO對Zn2+的溶劑化作用的影響。
圖2. DMSO基混合電解質的譜學表征。
DFT計算進一步的分析了DMSO對Zn2+溶劑化結構的影響。研究發現,相比H2O,DMSO與Zn2+結合能更大,說明了DMSO會優于H2O參與Zn2+的溶劑化結構,形成負的溶劑化能和半徑均高于[Zn(H2O)6]2+的 [Zn(H2O)m(DMSO)n]2+,雖然一定程度上降低了離子電導率,但同時提高了Zn2+的成核過電位和腐蝕電位,改善了Zn2+的沉積動力學并抑制了Zn金屬的腐蝕。
圖3.
展開 上述研究為空間復雜流體的管控提供了方案,深化了對顆粒沉積動力學的認識,對沉積圖案的調控及新型微納功能材料的制備具有重要的指導意義。以上工作得到中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金等項目的資助。
圖1 空間中膠體液滴的注射、分離及振蕩
圖2 咖啡環內部網絡狀結構中典型干區的形成機制
圖3 氣液界面收縮(A)、重力沉降(B)和毛細補償流(C)的協同和競爭共同決定沉積圖案形貌
圖4 多物理效應的協同和競爭機制
來源:中科院力學所
作者:李偉斌

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1. 建立基礎模型
在CCS法和CCM法基礎上,近年來新發展起來的電化學沉積法、超聲噴涂法以及轉印法成為研究熱點并具備應用潛力。新制備方法從多方向、多角度改進膜電極結構,克服傳統方法制備膜電極存在的催化層催化劑顆粒隨機堆放,氣體擴散層孔隙分布雜亂等結構缺陷,改善膜電極三相界面的傳質能力,提高貴金屬利用率,提升膜電極的電化學性能。
三、聚合物涂層表面改性
通過電化學沉積法,在316L不銹鋼陽極板表面沉積了聚苯胺電鍍層。在模擬燃料電池環境下在中執行動作電位測試。測試結果表明,涂層陽極板的性能明顯優于未涂層陽極板的性能。是實驗證。事實上,聚苯胺薄膜是防止腐蝕環境內滲的有效屏障。
鈦雙極表面沉積了Ni-P /TiN/PTFE涂層。
七、電化學沉積微納級金屬3D打印技術
瑞士超微細微納級金屬3D打印公司exaddon。他們的CERES 3D打印系統是專為研究人員和科學家而設計,用于在微米級上進行金屬的3D打印微制造(μAM)。
電鑄技術是基于電化學沉積原理的一種特種加工方法,通過電鑄液中金屬離子在陰極表面的還原及電結晶來制取金屬零件。在電鑄過程中,金屬離子在預成形的作為陰極的芯模或基體表面不斷還原沉積,逐漸生長成一定厚度的金屬材料,從芯模脫模或者與基體連接成薄壁復雜結構零件。由于電鑄的最小制造單位是離子,具有很高的制造精度,且其材料性能可控,特別適用于傳統方法難以加工或加工成本過高的金屬零件精密成形。
與常規單策略調控電化學過程中鋅晶體成核策略不同,官能化的柔性凝膠電解質可以多方面協同實現對鋅負極的穩定:一方面,凝膠電解質中帶電基團不僅為鋅離子的高效遷移構筑通道,還可以均勻鋅負極的界面電場,優化Zn2+的沉積動力學,誘導電化學沉積過程中Zn(002)晶面優先生長。另一方面,Zn2+的溶劑化結構被帶電基團重構,進一步消除了循環過程中的副反應。
熱壓法是第一代技術;目前廣泛使用的是第二代的CCM方法,包括轉印、噴涂、電化學沉積、干粉噴射等,具有高鉑利用率和耐久性的優點;有序化方法可使 MEA 具有最大反應活性面積及孔隙連通性,以此實現更高的催化劑利用率,是新一代MEA 制備技術的前沿方向。
作者建議按照微結構的幾何形狀和堆積方式對于Zn電化學沉積形貌進行更加科學和精確的比較。
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DMSO的加入重構了Zn2+溶劑化結構,優化了Zn2+的沉積動力學,有效實現了對鋅枝晶和副反應抑制。