Electrodeposition Module
Analizza e controlla i processi di elettrodeposizione l'Electrodeposition Module

Elettroplaccatura decorativa in cui si considera una distribuzione di corrente secondaria con cinetica di Butler-Volmer per anodo e catodo. L'immagine mostra lo spessore depositato sulla parte anteriore e posteriore del pezzo.
Ottimizzare le condizioni operative delle celle elettrochimiche
La modellazione e la simulazione sono metodologie economicamente vantaggiose per la comprensione, l'ottimizzazione e il controllo dei processi di elettrodeposizione. Una simulazione tipica produce la distribuzione di corrente sulla superficie degli elettrodi e lo spessore e la composizione dello strato depositato. Le simulazioni sono utili per studiare parametri importanti, quali la geometria della cella, la composizione dell'elettrolita, la cinetica di reazione dell'elettrodo, le tensioni e correnti operative, nonché gli effetti della temperatura. Disponendo dei dati su questi parametri, è possibile ottimizzare le condizioni operative delle celle elettrochimiche e la collocazione e progettazione delle maschere, per garantire la qualità delle superfici, minimizzando al contempo le perdite di materiale e di energia.
Adatto a un'ampia gamma di applicazioni in ambito elettrochimico
L'Electrodeposition Module può essere utilizzato per molteplici applicazioni, tra cui: deposizione di metalli per componenti elettronici ed elettrici, protezione da corrosione e usura, elettroplaccatura decorativa, elettroformatura di componenti aventi strutture sottili e complesse, incisione, elettrolavorazione, elettroestrazione ed elettroraffinazione. L'Electrodeposition Module consente di tenere conto di tutti i fenomeni coinvolti e di simularli in gruppo. Nello specifico, è possibile abbinare le equazioni che descrivono il trasporto e la conservazione della corrente, il trasporto delle specie chimiche, i bilanciamenti della carica e la cinetica elettrochimica. Grazie alla possibilità di considerare contemporaneamente diversi importanti fenomeni, si otterranno stime precise della qualità, della forma e dello spessore del deposito sulla superficie degli elettrodi.
L'Electrodeposition Module mette a disposizione strumenti e interfacce fisiche per definire le caratteristiche fisiche di un processo. Le formulazioni predefinite consentono di modellare gli effetti della distribuzione di corrente primaria, secondaria e terziaria – spesso ottimi indicatori nel processo di finitura di una superficie e della qualità del prodotto.
Altre immagini:






La simulazione come parte del flusso di lavoro
Come per tutti i processi chimici, è possibile studiare molti degli effetti dei processi di elettrodeposizione su scale diverse, in funzione della finalità. Su scala microscopica ciò consente di analizzare la cinetica elettrochimica delle reazioni coinvolte e dell'influenza di diversi livellatori o condizioni che influiscono sulla cinetica dell'elettrodeposizione. Per i controelettrodi può essere necessaria un'attenta selezione dell'elettrocatalizzatore e della microstruttura dell'elettrodo, soprattutto per l'elettroestrazione dove è necessario minimizzare le perdite. La simulazione di questi processi e il loro confronto con gli esperimenti o i dati del proprio processo consentirà di comprendere il meccanismo di reazione del trasferimento di carica sulle superfici dell'elettrodo e di derivare i parametri di cinetica elettrochimica, quali le densità di corrente di scambio e i coefficienti di trasferimento di carica per ciascuna reazione. Conoscendo questi meccanismi e parametri, è possibile simulare la velocità e la distribuzione della deposizione o dell'incisione su scala macroscopica e, al contempo, tenere conto delle condizioni operative del sistema, quali la geometria della cella e dell'elettrodo, la tensione o la corrente imposta della cella, mascheratura e schermatura, la composizione e il flusso dell'elettrolita, l'evoluzione di gas e la temperatura.
L'interfaccia utente standardizzata di COMSOL Desktop®, alla base dell'Electrodeposition Module, è utilizzata anche per tutti gli altri prodotti aggiuntivi della suite di prodotti COMSOL. Ciò consente di abbinare la fisica che descrive il processo di elettrodeposizione o di incisione ad altri moduli, ad esempio l'Heat Transfer Module per lo studio degli effetti termici o il CFD Module per l'esame degli effetti del flusso bifase. Inoltre sarà possibile modellare altre caratteristiche fisiche, come l'integrità strutturale, condividendo gli stessi file di modello utilizzati per la modellazione della cella elettrochimica. Questa piattaforma di modellazione unificata è lo strumento perfetto per collaborare con progettisti impegnati nei medesimi processi ma in campi diversi.
Strumenti intuitivi per modellare le celle di elettrodeposizione ed elettroplaccatura
L'Electrodeposition Module offre numerosi strumenti intuitivi per analizzare molte delle caratteristiche associate alle celle di elettrodeposizione ed elettroplaccatura, tra cui:
Cinetica delle reazioni elettrochimiche
È possibile definire le reazioni del trasferimento di carica elettrochimica laddove le espressioni cinetiche possono essere funzioni arbitrarie delle variabili modellate. Gli esempi al riguardo comprendono la concentrazione di specie chimiche, il potenziale locale dell'elettrolita e dell'elettrodo in corrispondenza dell'interfaccia elettrodo-elettrolita e la temperatura. Nelle interfacce Distribuzione di Corrente Secondaria e Terziaria è inoltre possibile immettere i parametri della cinetica dell'elettrodo, ad esempio la densità di corrente di scambio, i coefficienti di trasferimento di carica anodica e catodica, la stechiometria e il potenziale di equilibrio relativamente alle reazioni dell'elettrodo nel sistema. Sono anche disponibili espressioni predefinite per l'equazione di Butler-Volmer e la legge di Tafel. Si possono inoltre aggiungere diverse reazioni concorrenti su una superficie dell'elettrodo, come l'evoluzione dell'idrogeno sull'elettrodo di placcatura. Nel caso della distribuzione di corrente terziaria, utilizzando le variabili della concentrazione si possono abbinare le reazioni dell'elettrodo alla concentrazione locale delle specie elettroattive nelle espressioni di cinetica dell'elettrodo. È possibile inoltre stimare il sovrapotenziale di concentrazione utilizzando le equazioni di Nernst che ne calcolano il contributo.
Flusso dei fluidi
Nell'Electrodeposition Module inoltre disponibili interfacce per modellare il flusso laminare e il flusso in mezzi porosi tramite le equazioni di Navier-Stokes, la legge di Darcy e le equazioni di Brinkman. Per tenere conto del flusso turbolento e bifase è possibile combinare nelle simulazioni le appropriate interfacce fisiche contenute nel CFD Module.
Strati elettrodepositati
L'Electrodeposition Module supporta inoltre l'inclusione degli effetti di alterazioni geometriche causate dal processo elettrochimico, modellando i contorni mobili via via che aumenta lo spessore dello strato depositato sul catodo. Le superfici che recedono o crescono possono influire in modo significativo sul funzionamento della cella e l'Electrodeposition Module tiene conto di tali variazioni in modo dinamico come parte della simulazione. Inoltre, nei casi in cui lo strato di materiale metallico depositato o le variazioni di spessore dell'anodo siano minime, è anche possibile selezionare un'interfaccia fisica che tenga traccia dello spessore dello strato di placcatura e di come questo possa influire sugli effetti ohmici nell'elettrodo, senza alterarne effettivamente la geometria. Viene invece introdotta una variabile per lo spessore che influisce anche sulla conduttanza elettrica locale dell'elettrodo. Si possono calcolare automaticamente le variazioni di spessore dell'elettrodo sulla base delle espressioni cinetiche dell'elettrodo, definendo i coefficienti stechiometrici, la massa molare e la densità del metallo depositato o consumato per le reazioni dell'elettrodo.
Bilanciamenti di corrente nell'elettrolita e negli elettrodi
Struttura portante dell'Electrodeposition Module sono le descrizioni del trasporto di ioni nell'elettrolita e la conduzione di elettroni negli elettrodi, in combinazione con la conservazione di corrente e di carica. Nelle interfacce Distribuzione di Corrente Primaria e Secondaria, si considera che il trasporto di ioni nell'elettrolita avvenga attraverso la migrazione degli ioni, trascurando l'influenza della diffusione. Ciò è utile quando la miscela nell'elettrolita è di qualità sufficiente a eliminare pressoché completamente i gradienti di concentrazione. Si possono anche utilizzare le formulazioni di distribuzione di corrente secondaria se i gradienti di concentrazione esistono solo vicino alla superficie dell'elettrodo. A tale fine si utilizzano espressioni analitiche per le variazioni di concentrazione nello strato limite sulla superficie dell'elettrodo. Nelle interfacce Distribuzione di Corrente Terziaria, il trasporto di ioni nell'elettrolita viene descritto nei termini di diffusione, convezione e migrazione (equazioni di Nernst-Planck). Il modulo valuta automaticamente la densità di corrente aggiungendo alla densità di corrente tutti i fattori che contribuiscono al trasporto di ioni. Perciò, la densità di corrente è descritta dalla diffusione e dalla migrazione degli ioni, necessaria quando nell'elettrolita sono presenti variazioni significative di concentrazione. Il bilancio di corrente negli elettrodi è totalmente accoppiato a quello nell'elettrolita sulle superfici dell'elettrodo attraverso la cinetica di reazione dell'elettrodo. La legge di Ohm descrive la conduzione di corrente negli elettrodi. L'Electrodeposition Module offre anche un'interfaccia per modellare il trasferimento di corrente attraverso strutture metalliche sottili o gusci, ad esempio per modellare l'innesco del processo di placcatura. Ciò consente di modellare strati elettrodepositati sottili su strutture non conduttive insieme ai bilanci di corrente nell'elettrolita tenendo conto delle perdite ohmiche negli elettrodi.
Trasporto di materiale
L'Electrodeposition Module modella il trasporto delle specie chimiche per diffusione, convezione e migrazione in soluzioni diluite e concentrate. Questo modulo comprende un'interfaccia Equazioni di Nernst-Planck predefinita, ma aggiunge la migrazione anche alle interfacce Trasporto di Specie Chimiche in soluzioni diluite e concentrate e in mezzi porosi.
Trasferimento termico
Con l'Electrodeposition Module è possibile modellare il riscaldamento per convezione, conduzione e per effetto Joule, grazie a un'interfaccia fisica specifica per il trasferimento termico in mezzi porosi. Il modulo aggiunge al bilancio termico i contributi dei processi elettrochimici, per esempio le perdite dovute al sovrapotenziale di attivazione come sorgenti di calore ai contorni dell'elettrodo.
Caratteristiche del Prodotto
- Interfacce dedicate per l'analisi delle correnti primarie, secondarie e terziarie per il bilancio di correnti in elettroliti
- Formulazioni per elettroneutralità, elettrolita di supporto, o l'equazione di Poisson per le equazioni di bilancio di carica
- Equazioni di Nernst-Planck in soluzioni diluite e concentrate
- Equazione di Nernst-Einstein per mobilità relativa e diffusività in elettroliti
- Legge di Ohm e conservazione della corrente negli elettrodi
- Equazione di Nernst per l'equilibrio potenziale e concentrazione di sovrapotenziale
- Accoppiamento automatico della stechiometria e legge di Faraday per l'accoppiamento automatico di materiale e bilancio di correnti agli elettrodi
- Cinetica degli elettrodi incluso termini di attivazione e concentrazione sovrapotenziale
- Elettrocatalisi degli elettrodi, per esempio evoluzione di ossigeno
- Equazioni di Butler-Volmer e di Tafel per cinetiche predefinite
- Electrode thickness variabile sulle superfici dell'elettrodo, influenza della conduttanza locale per piccoli cambiamenti nella geometria dell'elettrodo durante la deposizione
- Moving boundaries per strati depositati su elettrodi ed attacco elettrochimico per grandi cambiamenti nella geometria dell'elettrodo
- Riscaldamento Joule dovuto a perdite ohmiche nelle elettrodi e nell'elettrolita
- Riscaldamento dovuto a perdite di attivazione
- Stime di potere penetrante
- Stime di Numero Wagner
Campi di Utilizzo
- Anodizzazione
- Stima dell'effetto bipolare in cellule di metallo
- Cromatura
- E-coating
- Elettro-coating
- Elettro-coloring
- Elettrodeposizione per applicazioni minerarie
- Elettrodeposizione per la produzione di PCB
- Electroforming
- Electroplating
- Electrowinning
- Etching
- Flush layer plating
- Functional electroplating
- Hull cells
- Metodi Striking
- Finitura superficiale
- Rivestimenti resistenti all'usura
- Produzione elettrochimica
- Lucidatura elettrochimica
- Lavorazione elettrochimica
- Schermatura e mascheramento
Copper Deposition in a Trench
This model demonstrates the use of moving meshes in the application of copper electrodeposition on circuit boards. In these environments, the presence of cavities or 'trenches' are apparent. The model makes use of the Tertiary, Nernst-Planck interface for electrodeposition to keep track of the deformation of the mesh. Furthermore, ...
Decorative Plating
Tutorial model of electroplating. The model uses secondary current distribution with full Butler-Volmer kinetics for both anode and cathode. The thickness of the deposited layer at the cathode is computed as well as the pattern caused by dissolution of the anode surface.
Electrodeposition of a Microconnector Bump in 2D
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Electrochemical Impedance Spectroscopy
The purpose of this app is to understand EIS, Nyquist, and Bode plots. The app lets you vary the bulk concentration, diffusion coefficient, exchange current density, double layer capacitance, and the maximum and minimum frequency. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a common technique in electroanalysis used to study the harmonic ...
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