[科普中国]-二次电流分布

概述

当电流在电极上的分布没有产生极化或其他干扰因素的情况下，称为一次电流分布。这种电流的一次分布，完全取决于镀槽中电极间的几何形状。当一定电压加于两电极上，镀液中每一点都有一定电压存在，其大小介于两电极电压之间。因为金属电极导电性很强，我们可以假设电极表面每一点的电压均相等。同样，在镀液中亦可找出某些具有相等电位的假想平面，一般说，靠近电极越近的位置，等电位平面与电极形状越为类似。但其形状却随着与电极距离逐渐增大而改变。最终，在一次电流作用下的电镀，会因电极间距离和形状等因素而出现镀层分布极不均匀的情况。但这种分布却是与电流密度成正比的。要改善这种镀层不均匀的情况，就必须让电流密度小的区域镀层能增厚，让电流密度高的区域的镀层，反而成长较慢一些，相当于对原来分布的电流做了重新的分配，这种通过一些手段调整而出现的镀层分布趋向均匀的结果，这就是电流的二次分布。实际上不是电流进行了重新分布，而是电流的作用在高密度区和低密度区有了变化，显示出调整了电流分布的宏观结果。1

理论当电流通过镀液时，阴极和阳极上都会有不同程度的极化。考虑电化学因素在内的电流分布称为二次电流分布，它是接近于实际情况的电流分布。在固定几何条件的情况下研究二次电流分布，就相当于研究电化学因素，对电流分布的影响。

参照图1的电极布置，由于近阴极的电流密度大，极化作用大，相应增大了较大的极化电阻 ；远阴极的电流密度小，极化作用小，相应的极化电阻 也小，等效电路图如图2所示。

近阴极和阳极问的镀液电阻小，附加上较大的极化电阻；远阴极和阳极问的镀液电阻大，附加上较小的极化电阻。这种补偿的结果使两个回路的电阻差缩小，电流分布更为均匀。通过推导，可以得出二次电流分布的表达式为：

式中，K为溶液的电导率；/D为阴极极化度。从上式可知，二次电流分布与溶液的电导率、阴极极化度和阴、阳极距离有关。当阴极在某一电流密度范围内不存在极化时，即，则二次分布成为初次分布。由于电导率和极化度总是正值，所以二次电流分布必将比初次电流分布更为均匀。设，则该公式可以改写为：

如果，则表示近、远阴极的电流密度相等，即为最理想的电流分布，此时公式右边第二项应为零。所以增加溶液的导电能力，提高阴极极化度（），缩小阴、阳极之间的距离差（）均会促使电流分布更加均匀。2

改善二次电流分布要想改善二次电流分布，就需要了解二次电流分布的实质。电流一经流过一定的电极之间，在两极间的电场就已经形成，镀槽中的电力线分布也基本上确定了。除非改变电解槽形状、电极间距离、电极的截面、形状等所谓几何因素，电力线的分布是不会变化的。事实证明，光靠改变几何因素来调整电力线分布，其作用是有限的。这是因为镀件的几何形状不是可以任意改变的，并且超过了一定几何限度，电力线的分布也不会有所改变。要想达成二次电流分布的效果，需要通过调整镀液的组成，使金属离子还原的过程受到控制，使镀层的分布不同于一次电流分布的结果，从而达到改善二次电流分布的目的。

一般以下手段有可能改善二次电流分布：

（1）选用合适的络合剂，使金属离子成为络离子，增加其还原的阻力，使高电流区的金属电沉积阻力增加，从而提高低电流区的电沉积速度，改善镀层分布；

（2）选用合适的添加剂，在高电流区吸附而起到阻滞高电流区电沉积的作用，相对提高低电流区的沉积速度，改善镀层分布；

（3）采用阴极移动、脉冲电源等物理手段改善阴极过程，使镀层分布趋向均匀等。

从以上讨论可以看出，二次电流分布这种说法只是借用了电流分布与镀层沉积的正比相关性，方便问题的讨论。有些资料甚至提出了三次电流分布的说法，其实都是指利用更多的手段来进一步改善电沉积物分布。在一定的物理化学状态下，电流的分布本身并没有发生，而是电流的作用发生了变化，或者说电流作用的分配发生了变化。具体地说，是金属沉积的电流效率发生了变化。通常就是高电流区的电流效率下降，而低电流区的电流效率相对提高，从而使金属镀层的分布趋向均匀。从这个意义上说，将二次电流分布说成“二次电流分配”可能更恰当一些。1