Физико-механическая модель электрохимических процессов формирования микро- и нанокомпозиционного покрытия меди и электрокорунда
Автор: Молчанов Е.К., Вахрушев А.В.
Статья в выпуске: 5, 2023 года.
Бесплатный доступ
Описывается математическая модель и результаты численного исследования электрохимических, диффузных и кинетических процессов соосаждения меди и микро- и наночастиц Al2O3 на поверхность медного электрода. Приведен математический аппарат для комплексного физико-химического математического моделирования процессов, сопровождающих формирование нанокомпозиционных покрытий из сернокислых электролитов меднения: электрохимического осаждения меди на поверхности катода, физической адсорбции наночастиц на поверхности катода и роста слоя покрытия. Для описания движения электролита использовалась модель k-ε на базе осредненных уравнений Рейнольдса с демпфирующими функциями согласно модели Abe - Kondoh - Nagano (k-ε AKN). Проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Представлены результаты математического моделирования электрохимического осаждения металлической меди Cu на вращающийся цилиндрический электрод с учетом гидродинамики потока электролита. Массоперенос электроактивных ионов электролита происходит за счет трех основных механизмов: диффузии, миграции, конвекции, и описывается уравнениями конвективной диффузии, исследуется во всем объеме электролитической ячейки. Катодные и анодные процессы описываются на основе третичного распределения тока. Представлены результаты математического моделирования совместного электрохимического осаждения композиционных покрытий Cu-Al2O3 на вращающийся цилиндрический электрод с учетом гидродинамики потока электролита. Моделирование проводилось во всем объеме электрохимической ячейки, а не только в пределах диффузионного слоя, что позволило учитывать перенос частиц и ионов электролита за счет конвекции и миграции. Проведенное математическое моделирование позволило детально исследовать кинетику указанных процессов и показало удовлетворительное соответствие с экспериментальными результатами.
Математическое моделирование, электрохимия, электрокинетические силы, диффузия, гидродинамика, композитные покрытия, микро- и наночастицы
Короткий адрес: https://sciup.org/146282771
IDR: 146282771 | УДК: 519.622.2 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.05
The physical and mechanical model of electrochemical processes of forming copper and electroсorundum micro- and nanocomposite coatings
The article describes a mathematical model and the results of a numerical study of electrochemical, diffuse and kinetic processes of co-deposition of metallic copper and micro- and nanoparticles of electrocorundum on the surface of a metal electrode. A mathematical apparatus for complex physical and chemical mathematical modeling of the processes accompanying the formation of nanocomposite coatings from copper sulphate electrolytes is presented, i.e. the electrochemical deposition of metallic copper on the cathode surface, physical adsorption of micro- and nanoparticles on the cathode surface and growth of the coating layer. To describe the movement of the electrolyte, the k-ε model based on the averaged Reynolds equations with damping functions according to the Abe - Kondoh - Nagano model (k-ε AKN) was used. The modelling results are compared with the experimental data. The mathematical modeling results of the electrochemical deposition of metallic copper Cu on a rotating cylindrical electrode are presented. The mass transfer of the electroactive electrolyte ions occurs due to three main mechanisms: diffusion, migration and convection. Ion and particle mass transfer is described by the equations of convective diffusion and studied in the entire volume of the electrolytic bath. The cathodic and anodic processes are described on the basis of the tertiary current distribution. The mathematical modeling results of the joint electrochemical deposition of Cu-Al2O3 composite coatings on a rotating cylindrical electrode are presented taking into account the hydrodynamics of the electrolyte flow. The simulation is carried out in the entire volume of the electrochemical cell, and not only within the diffusion layer, which allows taking into account the transfer of electrolyte particles and ions by convection and migration. The current numerical study made it possible to investigate in detail the kinetics of these processes and showed good agreement with the experimental results.
Список литературы Физико-механическая модель электрохимических процессов формирования микро- и нанокомпозиционного покрытия меди и электрокорунда
- Raghavendra C.R., Basavarajappa S., Sogalad I. Comparative study on Ni and Ni-a-Al2O3 nano composite coating on Al6061 substrate material // Materials Today: Proceedings. -2020. - Vol. 24. - Р. 975-982. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.410
- Raghavendra C.R., Basavarajappa S., Sogalad I. A review on Ni based nano composite coatings // Materials Today: Proceedings. - 2021 - Vol. 39. - P. 6-16. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.810
- Pinate S., Leisner P., Zanella C. Wear resistance and self-lubrication of electrodeposited Ni-SiC:MoS2 mixed particles composite coatings // Surface and Coatings Technology. - 2021. -Vol. 421. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127400
- Electrochemical behavior and electro-crystallization mechanism of Cu-Ni/Nano-Al2O3 coating with a deposition current density dependence / Y. Zhang, J. Zhang, Z. Wang, J. Liu // Journal of Alloys and Compounds. - 2023. - Vol. 952. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.169988
- Ayoola A., Fayomi O., Popoola A. Anticorrosion properties and thin film composite deposition of Zn-SiC-Cr3C2 coating on mild steel // Defence Technology. - 2019. - Vol. 15. -P. 106-110. DOI: 10.1016/j.dt.2018.04.008
- Wang Y., Qi Y. Study on electrodeposition of ZnNi/Al2O3 composite coating on 40Mn steel and its corrosion behavior in simulated concrete pore solution // International Journal of Electrochemical Science. - 2022. - Vol. 17. DOI: 10.20964/2022.10.46
- Guglielmi N. Kinetics of the deposition of inert particles from electrolytic baths // Journal of The Electrochemical Society. - 1972. - Vol. 119. - P. 137-146. DOI: 10.1149/1.24043
- Guo H., Qin Q., Wang A. Mass transport process of solid particles in composite electrodeposition // Electrochem. Soc. -1988. - Vol. 46. - P. 8-18
- Fransaer J. Analysis of the electrolytic codeposition of non-brownian particles with metals // Journal of The Electrochemical Society. - 1992 - Vol. 139. - P. 413-420. DOI: 10.1149/1.2069233
- Walsh F.C., Ponce de Leon C. A review of the electrodeposition of metal matrix composite coatings by inclusion of particles in a metal layer: an established and diversifying technology // Transactions of the IMF. - 2014. - Vol. 92. - P. 8398. DOI: 10.1179/0020296713Z.000000000161
- Walsh F.C., Wang S., Zhou N. The electrodeposition of composite coatings: Diversity, applications and challenges // Current Opinion in Electrochemistry. - 2020. - Vol. 20. - P. 8-19. DOI: 10.1016/j.coelec.2020.01.011
- Magnetic and electrical transport properties of electrodeposited Ni-Cu alloys and multilayers / I. Bakonyi, E. Toth-Kadar, J. Toth, T. Becsei, T. Tarnoczi, P. Kamasa // J. Phys. Condens. Matter. - 1999. - Vol. 11. - P. 963-973. DOI: 10.1088/0953-8984/11/4/004
- Structural characterization of electro-codeposited Ni-Al2O3-SiC nanocomposite coatings / M. Alizadeh, M. Mirak, E. Salahinejad, M. Ghaffari, R. Amini, A. Rossta // J. Alloys. Compd. -2014. - Vol. 611. - P. 161-166. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.04.181
- Li R., Hou Y., Liang J. Electro-codeposition of Ni-SiO2 nanocomposite coatings from deep eutectic solvent with improved corrosion resistance // Appl. Surf. Sci. - 2016. - Vol. 367. -P. 449-458. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.01.241
- Effect of particle concentration on the structure and tribological properties of submicron particle SiC reinforced Ni metal matrix composite (MMC) coatings produced by electrodeposition / H. Gulb, F. Kilic, M. Uysal, S. Aslan, A. Alp, H. Akbulut // Appl. Surf. Sci. - 2012 - Vol. 258. - P. 4260-4267. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.12.069
- Casati R., Vedani M. Metal matrix composites reinforced by nano-particles // A review, Metals. - 2014. -Vol. 4. - P. 65-83. DOI: 10.3390/met4010065
- Aliofkhazraei M. Development of electrodeposited multilayer coatings: A review of fabrication, microstructure, properties and applications // Applied Surface Science Advances. -2021. - Vol. 6. - P. 100-141. DOI: 10.1016/j.apsadv.2021.100141
- Frank C.W., Shuncai W., Nan Z. The electrodeposition of composite coatings: Diversity, applications and challenges // Current Opinion in Electrochemistry. - 2020. - Vol. 20. - P. 8-19. DOI: 10.1016/j.coelec.2020.01.011
- Hwang B.J., Hwang J.R. Kinetic model of anodic oxidation of titanium in sulphuric acid // Journal of Applied Electrochemistry. - 1993. - Vol. 23. - P. 1056-1062. DOI: 10.1007/BF00266129
- Huerta M.E., Pritzker M.D. EIS and statistical analysis of copper electrodeposition accounting for multi-component transport and reactions // Journal of Electroanalytical Chemistry. - 2006. -Vol. 594. - P. 118-132. DOI: 10.1016/j.jelechem.2006.05.026
- Lee J., Talbot J.B. A model of electrocodeposition on a rotating cylinder electrode // Journal of The Electrochemical Society. - 2007. - Vol. 154. - P. 70-77. DOI: 10.1149/1.2398819
- Eroglu D., West A.C. Mathematical modeling of Ni/SiC co-deposition in the presence of a cationic dispersant // Journal of the Electrochemical Society. - 2013. - Vol. 160. - P. 354-360. DOI: 10.1149/2.052309jes
- Vakhrushev A.V. Computational multiscale modeling of multiphase nanosystems. Theory and applications. - Waretown, New Jersey, USA: Apple Academic Press, 2017. - 402 p. DOI: 10.1201/9781315207445
- Vakhrushev A.V., Molchanov E.K. Hydrodynamic modeling of electrocodeposition on a rotating cylinder electrode // Key Engineering Materials. - 2015. - Vol. 654. - P. 29-33. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.654.29
- Stojak J.L., Talbot J.B. Effect of particles on polarization during electrocodeposition using a roatatig cylinder electrode // Journal of Applied Electrochemistry. - 2001. - Vol. 31. - P. 559564. DOI: 10.1023/A:1017558430864
- Stojak J.L., Talbot J.B. Investigation of electrocodepo-sition using a rotating cylinder electrode // Journal of The Electrochemical Society. - 1999. - Vol. 146. - P. 4504-4513. DOI: 10.1149/1.1392665
- Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. - California: DCW Industries, 1998. - 477 p. DOI: 10.1017/S0022112095211388
- Abe K., Kondoh T., Nagano Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows I. Flow field calculations // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 1994. - Vol. 37. - P. 139-151. DOI: 10.1016/0017-9310(94)90168-6
- Andereck C.D., Liu S.S., Swinney H.L. Flow regimes in a circular Couette system with independently rotating cylinders // Journal of Fluid Mechanics. - 1986. - Vol. 164. - P. 155-183. DOI: 10.1017/S0022112086002513
- Alizadeh M., Safaei H. Characterization of Ni-Cu matrix, Al2O3 reinforced nano-composite coatings prepared by electrodeposition // Applied Surface Science. - 2018. - Vol. 456. -P. 195-203. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.06.095
- Comparison of three artificial neural networks for predict the electrodeposition of nano-silver film / H. Gan, G. Liu, C. Shi, R. Tang, Y. Xiong, Y. Liu, H. Liu // Materials Today Communications. - 2021. - Vol. 26. - P. 101-110. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2020.101950
- Fathy A, Megahed A. Prediction of abrasive wear rate of in situ Cu-Al2O3 nanocomposite using artificial neural networks. Int J Adv Manuf Technol, 2012, Vol.62, pp.953-63. doi:10.1007/s00170-011-3861
