一种超声辅助锌电沉积过程多物理场耦合模拟与工艺参数优化方法及系统

本发明属于超声辅助金属电沉积过程建模分析与工艺参数优化，具体涉及一种超声辅助锌电沉积过程多物理场耦合模拟与工艺参数优化方法及系统。

背景技术：

1、锌电沉积广泛应用于湿法冶金、金属回收、防腐镀层和功能材料制备等领域；锌沉积过程中，阴极附近zn2+供应、h+消耗及析氢副反应共同影响沉积层厚度、均匀性、致密性和电流效率，当界面传质不足或浓度极化明显时，容易出现沉积层粗糙、孔隙增多、局部沉积不均以及能耗增加等问题。

2、现有技术中已有基于瞬态有限元分析的锌电沉积多物理场耦合模拟方法，例如cn122263544a公开的方法，其构建包含阴极、阳极及电解液区域的三维瞬态模型，将离子传质过程与电极界面反应过程耦合求解，并对电解液流速、阴阳极间距、酸锌比及电流密度等工艺参数进行优化；此类方法能够在一定程度上表征电解液内部离子浓度场与沉积行为，但仍存在以下不足：(1)未考虑超声辅助作用，超声能够通过声压振荡、声粒子速度、空化、微射流和声流等作用扰动近电极扩散层，改变zn2+和h+的空间分布，但现有方法未在模型中设置超声换能器，也未定义声压场和声粒子速度场，因而无法表征超声输入对界面传质和沉积行为的耦合影响；(2)缺乏对超声参数的筛选能力，超声频率、超声输入功率和超声声源数量是超声辅助电沉积的关键操作参数，且超声输入越强并不必然带来更有利的沉积条件：过高功率、过多声源或不合适的频率可能造成局部声场梯度过大、h+浓度扰动增强以及界面响应不均；现有模拟方法无法解释这种超声输入与沉积改善之间非单调对应的调控规律，也难以据此确定超声参数组合；(3)缺少声学评价指标，仅依据沉积层外观或单一电化学曲线难以判断超声参数优劣，也难以说明不同超声频率、不同超声功率和不同超声声源布置下zn2+补给与h+扰动之间的差异。因此，需要一种能够将超声声场、离子迁移和界面反应统一到同一有限元框架中，并可对超声频率、超声输入功率和超声声源数量等工艺参数进行筛选和实验验证的方法。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对背景技术中超声辅助锌电沉积过程内部声场分布、离子浓度场演化和界面反应竞争关系难以同步表征，超声参数对沉积行为的影响难以定量评价的问题，本发明提供一种超声辅助锌电沉积过程多物理场耦合模拟与工艺参数优化方法及系统，通过建立包含超声换能器并耦合声压场、声粒子速度场与离子传质、界面反应及沉积生长的三维瞬态有限元模型，实现对超声频率、超声输入功率和超声声源数量等工艺参数影响规律的定量分析，并通过实验验证模拟筛选的可靠性。

2、技术方案：本发明所述的一种超声辅助锌电沉积过程多物理场耦合模拟与工艺参数优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1：构建超声辅助锌电沉积过程的三维瞬态有限元模型，所述三维瞬态有限元模型包括电解液区域、阴极、阳极、入口、出口以及设置在反应槽底部的至少一个超声换能器；

4、步骤2：定义三维瞬态有限元模型中的声压场和声粒子速度场，并建立声压场、声粒子速度场与电解液中zn2+和h+离子传质场、电极界面反应场以及锌沉积层生长场之间的耦合关系；

5、步骤3：设置所述超声辅助锌电沉积过程的操作参数，所述操作参数至少包括超声频率、超声输入功率、超声声源数量、酸锌比、电解液流量、电流密度和沉积时间；

6、步骤4：对所述三维瞬态有限元模型进行网格划分，在电极表面、超声换能器附近、入口和出口区域进行局部加密，并采用瞬态有限元求解方法计算不同操作参数下的声压分布、声粒子速度分布、zn2+浓度场、h+浓度场和锌沉积厚度；

7、步骤5：对计算结果进行后处理，基于平均绝对声压、声场相对标准偏差、zn2+供应状态、h+分布状态和沉积厚度变化评价操作参数对超声辅助锌电沉积行为的影响，并筛选优选工艺参数；

8、步骤6：通过电化学测试、沉积层厚度测试、沉积质量测定和电流效率计算，对所述优选工艺参数进行实验验证。

9、优选地，步骤1中三维瞬态有限元模型的构建步骤为：在comsol multiphysics仿真系统中选择三维模型和瞬态求解方式；建立反应槽体积为100ml的电解槽模型，所述电解槽模型包括位于中间位置的铝阴极、对称设置在阴极两侧的铅银合金阳极、位于平行电极间的电解液区域以及入口和出口；在所述反应槽底部设置一个或多个超声换能器；将所述电解液区域、阴极、阳极和超声换能器作为统一计算域，用于计算声场、离子传质、电化学反应与锌沉积层生长之间的耦合响应。

10、优选地，步骤2中定义物理场时，采用三级电流分布模型描述电解液中离子传输与界面反应，并采用声学频域模型描述超声波在电解液中的传播，具体包括：

11、步骤21：定义zn2+和h+在电解液中的瞬态传质方程，所述瞬态传质方程同时考虑扩散、迁移和对流作用；

12、步骤22：定义电解液相电流密度和固相电流密度，建立电荷守恒关系；

13、步骤23：定义阴极界面的锌离子还原沉积反应和析氢副反应，采用butler-volmer方程计算局部反应电流密度；

14、步骤24：定义超声声压场和声粒子速度场，计算不同超声频率、超声输入功率和超声声源数量下的声场分布；

15、步骤25：将所述声场分布与zn2+和h+浓度场、界面局部反应电流密度以及锌沉积厚度演化结果进行耦合后处理。

16、优选地，步骤21至步骤23中的离子传质、电荷守恒、界面反应及锌沉积厚度演化的控制方程如下：

17、；

18、；

19、且当电解液体相内无均相电荷生成或消耗时，；

20、；

21、；

22、；

23、；

24、；

25、；

26、；

27、；

28、式中：ci为组分i的浓度；ni为组分i的摩尔通量；ri为体积反应源项；il为电解液相电流密度；f为法拉第常数；zi为离子电荷数；di为扩散系数；ui为迁移率；为液相电势；u为电解液速度；is为固相电流密度；σs为固相电导率；为固相电势；nb为电极-电解液界面的单位法向向量；iapp为外加电流密度；ilocm为第m个界面反应的局部反应电流密度；νi为化学计量系数；nm为为第m个界面反应的转移电子数；δzn为锌沉积厚度；mzn为锌摩尔质量；izn为锌沉积局部电流密度；nzn为电沉积锌反应转移的电子数；ρzn为金属锌密度；iloc为电极界面局部反应电流密度；i0为交换电流密度；αa和αc分别为阳极和阴极的电荷转移系数；η为过电位；r为摩尔数；t为温度；eeq为平衡电位；exp(•)为以自然常数e为底的指数函数。

29、优选地，步骤24中声压场和声粒子速度场的控制方程为：

30、；

31、；

32、；

33、；

34、；

35、；

36、式中：ρ为流体密度；v为流体速度；c为声速；p为声压；kep为流体介质体积模量；t为时间；pt为频域声压；qd为偶极源；ω为角频率；qm为单极源；ε为平均声能密度；w为声功率；s为超声探头横截面积。

37、优选地，步骤3中所述电解液流量与入口速度及无量纲传质参数之间满足：

38、；

39、；

40、；

41、；

42、；

43、；

44、式中：q为体积流量；uin为入口平均速度；ain为入口横截面积；din为入口管径；dh为水力直径；re为雷诺数；sc为施密特数；sh为舍伍德数；lc为传质特征长度；di为组分i在电解液中的扩散系数；μ为动力黏度；ρ为电解液密度。

45、优选地，步骤5中采用平均绝对声压评价声场整体强度，采用声场相对标准偏差评价声场空间均匀性，所述声场相对标准偏差为：

46、；

47、式中：s为声场相对标准偏差；pi为第i个节点处的声压幅值；为声压幅值平均值；p为平均绝对声压；i为节点序号；n为节点总数。

48、优选地，步骤3中操作参数包括：超声频率为25-40khz，超声输入功率为5-30w，超声声源数量为1-5个，电流密度为300-600a•m-2，酸锌比为3.0，模拟沉积时间为6h。

49、优选地，步骤6中电化学测试包括循环伏安测试、成核过电位测试、tafel曲线测试和阴极极化曲线测试；所述实验验证采用恒温水浴、恒流电源、蠕动泵、亚克力电解槽、两块铅银合金阳极和铝阴极构建的实验体系，以10w、20w和30w的超声输入功率以及300a•m-2和600a•m-2的电流密度进行对比，每组沉积时间为1.5h。

50、本发明还公开了一种上述方法的超声辅助锌电沉积多物理场耦合模拟与工艺参数优化系统，包括：

51、模型构建模块，所述模型构建模块用于构建超声辅助锌电沉积过程的三维瞬态有限元模型；所述三维瞬态有限元模型包括电解液区域、阴极、阳极、入口、出口以及设置于反应槽底部的至少一个超声换能器；

52、物理场定义模块，所述物理场定义模块用于定义三维瞬态有限元模型中的声压场和声粒子速度场，并建立所述声压场、声粒子速度场与电解液中zn2+和h+离子传质场、电极界面反应场以及锌沉积层生长场之间的耦合关系；

53、参数设置模块，所述参数设置模块用于设置操作参数；所述操作参数至少包括超声频率、超声输入功率和超声声源数量；

54、网格划分与求解模块，所述网格划分与求解模块用于对三维瞬态有限元模型进行网格划分，在电极表面、超声换能器附近、入口和出口区域进行局部加密，在电解液主体区域采用相对较粗的网格，并采用瞬态有限元求解方法计算不同操作参数下的声压分布、声粒子速度分布、zn2+浓度场、h+浓度场和锌沉积厚度；

55、后处理评价模块，所述后处理评价模块用于基于平均绝对声压、声场相对标准偏差、zn2+供应状态、h+分布状态和沉积厚度变化评价操作参数对超声辅助锌电沉积行为的影响，并筛选优选工艺参数。

56、与现有技术相比，本发明申请具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

57、1、本发明将超声换能器、声压场和声粒子速度场纳入同一三维瞬态有限元框架，并建立声场与离子传质、电荷守恒、界面反应和锌沉积厚度演化之间的耦合关系，能够直观显示电解液内部难以通过实验观测的声压分布、声粒子速度分布和离子浓度场分布；

58、2、本发明同时考察声场整体强度、声场空间均匀性、zn2+供应状态和h+分布状态，不以超声功率或声压峰值作为唯一评价依据，能够反映超声输入增强与沉积改善之间非单调对应的调控规律，有利于避免将局部强声场误判为有利的工艺条件；

59、3、本发明将模拟筛选结果与电化学测试、沉积层厚度、沉积质量和电流效率等实验结果对应验证，能够减少大量试错实验，为超声辅助锌电沉积工艺设计提供依据；

60、4、本发明能够在所研究的参数范围内筛选兼顾zn2+输运、h+扰动控制和锌层生长的超声辅助电沉积工艺组合，具有工程应用价值。