在众多艺术名流人士的住宅中，什么东西是金光闪闪，夺人眼目的？当然是标志性的奥斯卡小雕像——世界上最知名的颁奖奖杯！奥斯卡金像奖杯的金色外观是通过电镀（参考文献1）的方法制成的。这些奖杯是单独电镀而成的，但是当需要同时电镀多个工件时，通常需要将它们安装在挂具上，然后再放入电镀浴中，这个过程被称为挂镀。今天，我们介绍如何借助仿真优化多个工件的挂镀过程。
电镀 101
电镀或电沉积是指在金属表面镀上一层其他金属或合金薄层的过程。它可以使廉价的金属看起来很贵重，同时还可以防止腐蚀和生锈，以及增大零件尺寸等优点。
有趣的实例：易拉罐实际上是由 98.5％ 的钢制成的，仅外表电镀了一层薄锡。
常见的电镀物品包括厨房用具、汽车零件和日常配件。
意大利化学家Luigi V. Brugnatelli于1805年发明了电镀。他用钢丝将第一个伏达电堆（Voltaic pile）连接到装有金和金属物体的溶液中。伏达电堆被激活后释放出电流，金被附着在金属物体上，使金属物体具有光泽。Brugnatelli将他的发现发表在Belgian Journal of Physics and Chemistry上，他写道：
“最近，我给两枚大大的银奖章完全地镀上了金。方法是：用钢丝将两枚银奖章与一个伏达电堆的负极连接起来，并将它们依次浸入新制成的饱和金铵溶液中。
Luigi V. Brugnatelli的肖像。图片由Rijksmuseum提供。获CC 1.0许可，通过 Wikimedia Commons共享。
在电镀过程中，将带正电的电极（又称阳极）和带负电的电极（又称阴极）放入电解液中。两个电极都连接到电源，就像电池一样。通电后，电源在电极之间施加电压，最终导致阳极溶解到电解液中，而阴极镀上所需的金属涂层。
在硫酸铜浴中用铜电镀金属（Me）。图片来自：Wikimedia Commons。
化学电镀工艺的主要原理图
在之前的博客文章中，我们以美国造币厂的电镀铜精铸硬币为例，详细讨论了电镀工艺的工作原理。本文我们将重点介绍如何通过仿真提升挂具上多个工件的电镀效率。
模拟挂镀过程
当电镀复杂的或大型的金属物体时，挂镀是一种常用的方法。与滚镀相比，在汽车、医疗、军事和电子制造等需要高质量饰面的行业中，挂镀是首选的方法。 挂镀也比一次电镀一件的方法要快得多。
挂镀的过程具有一定的挑战性，因为它必须给所有基材或需镀覆的物品上都涂上一层均匀的金属层。借助 COMSOL 软件的电镀模块可以研究几何形状和操作参数对电镀均匀性的影响，有助于优化挂镀过程。
建立几何模型
在建立的模型中，将 20 个机油泵盖安装在挂具中（参考文献2），盖子上均镀了镍。镀镍之所以受欢迎，是因为它具有出色的耐化学腐蚀性能以及更好的耐磨性，从而延长了产品的使用寿命。
阳极是一个平面的溶解阳极，阴极是油泵盖的阵列。
参数化几何模型，以使油泵盖朝着或远离阳极表面移动。如下图所示，一个油泵盖向阳极移动，以演示几何形状对电解液中电流分布的影响。
下面，我们可以看到单个机油泵盖的几何形状。
模型使用了二次电流分布接口，并采用 Butler-Volmer 动力学公式描述阳极和阴极的电化学反应，计算得到阴极表面的沉积层厚度。
结果分析
下面，我们可以看到油泵盖或阴极表面上电解液电流密度的流线图和表面图。在电解质中，电流从阳极表面流向阴极表面。总电流密度的表面图显示了整个油泵盖表面（以及它们之间）上不均匀的密度分布。在靠近阳极的油泵盖处，电流密度最高。沿挂具边缘的机油泵盖接收的电流要大于挂具中央的电流。
电流分配不一致的原因是：
- 油泵盖形状复杂
- 油泵盖在挂具上的安装位置
挂具上工件的电流密度分布。该图显示了增厚的阴极上较高的电流密度，以及位于挂具边缘的工件的边缘效应。由于侧面有空间允许更多的电流通过较长的路线到达阴极表面，因此边缘工件的电流密度更高。
接下来，让我们看一下阴极表面上的电镀厚度，这与上述电流密度分布图直接相关。如下图所示，我们可以看到在阴极底部表面沉积厚度最薄，而顶部的沉积厚度最厚。
阴极处的电镀厚度。上图中的不均匀电流密度分布也显示在沉积厚度中。电流密度最高的阴极显然沉积物最厚。而且，边缘效应导致放置在挂具边缘的工件镀层变厚。
此数值模型对于优化沉积过程非常有用，它使工程师可以更改设计和操作参数，例如：
- 电镀挂具布置
- 挂具平面的工件排布
- 阳极和阴极表面之间的距离
- 电解质的电导率
- 施加电流
- 电极电势
下一步
单击下面的按钮，进入 COMSOL 应用程序库，尝试对挂具中多个工件的电镀过程建模。请注意，您需要一个 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证，才能下载 MPH 文件。
延展阅读
了解有关电镀的更多信息，请阅读 COMSOL 博客文章：
参考文献
- C. Bell, “What You Probably Never Realized About Award Show Trophies“, Reader’s Digest, 2019.
- J. Deconinck, G. Floridor, B. Van den Bossche, L. Bortels and G. Nelissen, “Numerical 3D BEM Simulation of the Chromium Layer Thickness Distribution on Parts in a Rack Plating Configuration”, Simulation of Electrochemical Processes, vol. 48, p. 173, 2005.
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