R21 电解方法的电子学

许多日常用品都做过某种表面处理。例如，汽车零件厨房炊具、储存食品的罐头、建材(窗框和房顶) 等等。类似技术也用于生产电子元件，如印刷线路板、电器插头和电容器。大部分电解处理技术可以用下面的例子来说明。

1. 金属和合金的电解沉积
电沉积的目的是修饰金属的表面，从而获得一些表面特性:硬度、耐磨和抗腐蚀、光泽等等。沉积层和基体之间的结合必须良好。电镀的原理很简单:电解，即一个维持氧-还反应。处理对象做阴极，阳极使用惰性导体材料(Pt或Ti的合金)，或者使用纯净的沉积物材料。图 R21 说明给一块印刷线路板镀铜，印刷线路板是带负电的阴极，铜是带正电的阳极。

电解质是电镀槽中最重要的组分。它含有恰当的待沉积金属盐，通常是复盐。与氯化物和硫酸盐之类普通盐相比，复盐的稳定性更高，溶解性更好。在R21所示例子中，电解质是硫酸铜和硫酸的混合物。电镀行业的诀窍在于电镀液的配方，电镀液中含有各种(通常是有机物)小量添加剂，它们使镀层获得所需性质:

• 光泽: 添加剂控制沉积层的微观平滑度，该效应的机理通常不清楚。
  
  
• Wetting: 电沉积过程中常常形成氢气。氢气泡会陷在沉积层下面，造成镀层与基体结合不好。适当的添加剂可以避免这种现象发生。
  
  
• 层结构: 有些添加剂可以修饰镀层的晶体结构，使其具有更好的物理性质(易焊接、抗腐蚀、硬度)。 电镀层的厚度通常在1~100μm范围内。

2. 表面层的化学沉积
像电镀一样，本方法的目的是把金属离子还原成金属，然后沉积在基体的表面，形成连续表层。化学沉积时，还原反应的推动力是镀槽里的电活性添加剂:还原剂。要使还原过程进展良好，基体的表面必须具有足够的催化特性，这样金属离子的还原和还原剂的氧化都能迅速在该催化性表面上发生。为了确保金属基体表面具有足够的催化活性，先用一个酸洗槽对基体表面进行预处理，从而使金属达到最大的表面积，同时除去痕量的油污等污物。

在化学沉积的配方中，磷酸和甲醛为典型的还原剂。由于还原剂的强弱可能与pH有关，镀槽液的缓冲性也十分重要。同样，镀层厚度通常在1~100μm 之间。

3. 表面的电化学改性
金属表面的钝化层可以增加抗腐蚀性、电绝缘性或改进外观。在此，氧化物、磷酸盐和铬酸盐是典型的表面沉积物。

• 阳极氧化
  这项工艺用于处理铝、钛、铜、钢、钽和铌的表面。阳极氧化处理时，金属表面转化为它的氧化物，金属作为电解池的阳极，硫酸、磷酸或草酸作为电解液。对铝进行阳极氧化处理时的相关半反应为:
  
  
  
  总的电解反应是:
  
  
  控制电流密度为1~100 A/m²。处理时间的长短决定钝化层厚度，可以得到0.5 μm(电容器)到100 μm (建材)厚的钝化层。
  
  
• 磷化
  磷化主要是为涂油漆或涂覆有机涂层准备表面。有了这第一层，金属的防腐蚀性和附着性显著改进。 最重要的应用是汽车和建材工业中钢和铝的磷化。磷化作用的化学过程和电化学过程还不能完全表征，磷化是一项经验性技术，而不是科学性技术。
  
  
• 铬化
  尽管铬酸盐溶液有毒，它们仍大量用于沉积保护层和装饰层，尤其是用在铝件和锌件上。最常见的应用领域是食品工业，例如，铬化处理铝罐头。