آبکاری: چگونه ضرابخانه ایالات متحده یک پنی می سازد

یک پنی از چه چیزی ساخته شده است؟ اگرچه به نظر می رسد که آنها سکه های مسی جامد هستند، اما در واقع این روزها اصلاً مس زیادی ندارند. در عوض، ضرابخانه ایالات متحده با استفاده از روکش فلز با ارزش روی یک روکش ارزان‌تر، در هزینه‌های خود صرفه‌جویی می‌کند. آیا تا به حال در مورد فرآیند تولیدی که با آن این امر به دست می آید فکر کرده اید؟ بیایید دریابیم.

آبکاری

یک پنی ایالات متحده از روی ساخته شده است که یک لایه مس به ضخامت 20 میکرون روی سطح آن قرار دارد. زمانی که سکه را می سازیم، فرآیند ساخت آن باید کنترل شود. اگر سکه ها در وزن ها، اندازه ها یا رنگ های مختلف تولید می شد، مردم هیچ اعتمادی به ارز نداشتند. هر چه تغییرات طبیعی در یک ارز ضرب شده بیشتر باشد، جعل آن آسان تر است. در مقایسه با مردم، تقاضا برای کنترل کیفیت برای ماشین‌های فروش خودکار و سکه‌خوان‌ها حتی بیشتر است، زیرا هر دو برای عملکرد مناسب به وزن و شکل سکه‌ها متکی هستند.

آبکاری یک روش تولید رایج است که شامل اعمال یک لایه نازک از فلز بر روی دیگری است. این از این واقعیت استفاده می کند که ما در حال آبکاری یک جسم فلزی هستیم که الکتریسیته را هدایت می کند. به جسمی که آبکاری می شود، زیرلایه گفته می شود .

شماتیک یک سلول آبکاری با حمام آبکاری سولفات مس. زیرلایه فلزی “Me” نشان داده می شود. انتقال الکترون ها در مدار با انتقال یون ها در محلول متعادل می شود.

برای اینکه بفهمیم چگونه این کار می کند، اجازه دهید ابتدا به یک واکنش شیمیایی ساده فکر کنیم.

در مدرسه، ممکن است با آزمایشی مواجه شده باشید که در آن آهن را در محلول نمک مس قرار داده بودند. هنگامی که در محلول بود، آهن فلزی خود به خود به شکل یون های آهنی (آهن) با بار مثبت حل شد و الکترون ها را پشت سر گذاشت. در همین حال، یون‌های مس (مس) با بار مثبت آن الکترون‌ها را به دست آوردند و آنها را به صورت مس جامد رسوب کردند. در هر سطح فلزی، واکنش شیمیایی ثابتی از فلز به یون های موجود در محلول و یون ها به فلز جامد وجود دارد.

می توانیم این را به عنوان یک واکنش شیمیایی متعادل بنویسیم:

Cu2+(aq) + Fe(s) → Cu(s) + Fe2+(aq)

که در آن (aq) یک گونه محلول در آب و (s) نشان دهنده یک ماده جامد است. بالانویس “2+” مخفف شارژ یک گونه است.

هنگام آبکاری الکتریکی، از یک منبع تغذیه برای اعمال ولتاژ به زیرلایه نسبت به الکترود مثبت به نام آند استفاده می شود . این کار برای دستکاری تعادل این واکنش انجام می شود. اگر بستر قطبی منفی شود، یک کاتد ، واکنش یون ها به فلز مطلوب خواهد بود. به عبارت دیگر، ولتاژ واکنشی را انجام می‌دهد که در آن یون‌ها الکترون می‌گیرند تا به فلز جامد تبدیل شوند. از آنجایی که الکترون‌ها باید از بستر رسانا بیایند و نمی‌توانند از راه طولانی به داخل محلول بپرند، مس روی سطح کاتد رسوب می‌کند.

می توانیم این را به صورت زیر بنویسیم:

Cu2+(aq) + 2e-(m) → Cu(s)

جایی که دو الکترون از فلز می آیند.

مقدار فلز رسوب شده متناسب با جریان الکتریکی عبوری است. این به این دلیل است که به ازای هر اتم فلزی که رسوب می‌کند، تعداد دقیقی الکترون به سمت کاتد کشیده می‌شود تا بار یونی را متعادل کند. در این صورت می دانیم که این عدد برای یون مس دو است. بنابراین با اندازه گیری جریان عبوری می توانیم در زمانی که مقدار معینی آبکاری صورت گرفته است، یعنی زمانی که جرم مشخصی از مس جامد رسوب کرده است، رسوب را متوقف کنیم.

توزیع فعلی

با این حال ، ما هنوز دقیقاً نمی دانیم که این آبکاری در کجا رخ می دهد. الکترون‌ها خود را در سراسر رسانا توزیع می‌کنند، بنابراین نمی‌توان از جریان اندازه‌گیری شده تشخیص داد که آیا آبکاری یکنواخت است یا فقط در یک قسمت از بستر رخ داده است.

در این صورت می توان به مدل سازی فیزیکی برای پیش بینی توزیع فعلی مس روی سطح روی آورد. همکار من، ملانی، اخیراً در مورد انواع نظری مختلف توزیع فعلی وبلاگ نویسی کرده است .

برای مثال، متوجه می‌شویم که چون لبه‌های تیز و گوشه‌های اجسام جامد بیشتر در معرض حمام آبکاری قرار می‌گیرند، نرخ رسوب در اینجا بیشتر خواهد بود (این اثر را می‌توانید در مدل رسوب مس در ترانچ مشاهده کنید که در مدل ما موجود است . آلبوم عکس). یون‌ها باید بیشتر یا در رقابت با یون‌های دیگر بین آند و مکان‌های «معروف» یا دورتر روی بستر حرکت کنند. این باعث افزایش مقاومت محلول در طول این مسیرها و کاهش نیروی محرکه برای رسوب می شود.

کنترل رسوب سطحی

تعدادی گزینه برای کنترل رسوب سطحی موجود است. برای مشاهده تصاویری در مورد نحوه مدل‌سازی این موارد، به برخی از مدل‌های ساخته شده با ماژول الکترودپوزیشن نگاهی بیندازید .

در سوپرپر کردن ، یک کاتالیزور به دقت محلی سازی می شود تا به طور انتخابی سرعت واکنش را در مناطق مقعر تسریع کند و توزیع جریان را در کل جسم متعادل کند.

یک روش جایگزین، افزودن گونه‌های شیمیایی در سطح کاتد و از طریق مکانیسم‌های مختلف برای جلوگیری از رسوب، یعنی بر خلاف کاتالیزورها و وادار کردن چگالی جریان به یکنواخت‌تر شدن است.

راه دیگر استفاده از جریان اجباری در حمام آبکاری به منظور هدایت ویژه محلول آبکاری به مناطق خاصی است. در COMSOL Multiphysics، این راحت است که بتوان جریان سیال و الکتروشیمی سطح را با هم حل کرد. اثرات جریان فواره بر روی رسوب الکتریکی در یک مدل ویفر چرخان مثال خوبی از این موضوع است.

بنابراین… چگونه یک پنی درست کنیم؟

البته، ضرابخانه ایالات متحده قرار نیست به ما بگوید که چگونه این کار را انجام می دهند وگرنه همه ما در خانه پول تولید می کنیم. تکنیک های درگیر در واقع بسیار گران هستند. ساخت یک پنی بیش از یک پنی هزینه دارد، این بهایی است که دولت ایالات متحده برای یک ارز امن می پردازد که توسط شهروندانش اداره می شود . بسیاری از این هزینه ها به دلیل افزایش قیمت فلز خام است. در حالی که ضرابخانه ایالات متحده از روی برای بخش عمده پنی استفاده می کند، پنی های کانادا و بریتانیا از فولاد ملایم ساخته شده اند. هر دو روش ارزش اسمی نسبی و هزینه های تولید خود را بسیار بالاتر از ارزش خود در فلز خام نگه می دارند. این ثابت می کند که هرچه بیشتر در مورد آبکاری آبکاری بدانیم، گزینه های جایگزین ما می تواند گسترده تر باشد!

راه اندازی یک مدل رسوب الکتریکی

من یک مدل رسوب الکتریکی ساده را در COMSOL Multiphysics راه‌اندازی کردم تا جریان جریان به یک بستر دیسکی شکل را بررسی کند. من متوجه شدم که بدست آوردن یک آبکاری یکنواخت آسان نیست. سلول من 1 A را به مدت پنج دقیقه می کشد، که به اندازه کافی خوب است که مس با ضخامت بیش از 20 میکرون روی سطح بستر بپوشاند. با این حال، بدون توجه خاص، ما در لبه ها آبکاری بسیار بیشتری دریافت می کنیم:

نمودار ضخامت رسوب در مقابل مختصات شعاعی برای آبکاری یک دیسک.

پس از پنج دقیقه، پنی آبکاری شده حدود 16 میکرون در لبه ضخیم تر از وسط بیرون می آید. این تنها 1٪ از کل ضخامت است که تشخیص آن برای افراد غیر متخصص دشوار است، اما مطمئناً برای یک ماشین یا حتی یک جاعل قابل توجه است. تنها می توان تصور کرد که اگر بستری که قرار است آبکاری شود، الگوی پیچیده ای مانند حروف ریز یا صورت آبراهام لینکلن داشته باشد، چقدر دشوار خواهد بود.

بنابراین، همانطور که معلوم شد، اولین دسته از سکه های من به نمره نرسید. آیا فکر می کنید می توانید بهتر عمل کنید؟

دولت ها در سرتاسر جهان همیشه به دنبال راه هایی برای پس انداز پول هستند. بسیاری از شرکت ها برای درک بهتر فرآیند تولید مورد نیاز به مدل سازی روی می آورند. یکی از گزینه هایی که آنها می توانند انتخاب کنند استفاده از ماژول رسوب الکتریکی برای پیش بینی کیفیت و هزینه عملیات برای یک سلول آبکاری است.