Структура катодных осадков
Вопрос 6. Структура катодных осадков
Структура катодных осадков характеризуется топографией растущей поверхности, внутренним строением и кристаллографической ориентацией; эти факторы являются ответственными за физико-механические и эксплуатационные свойства катодной меди.
Под внутренним строением катодного осадка меди понимаются взаимное расположение, форма, размеры и сцепление отдельных зерен в кристаллическом агрегате, тип и концентрация различных дефектов (вакансий, дислокаций, двойников) и включений в кристаллах. Кристаллографическая ориентация характеризует направление преимущественного роста отдельного кристалла (дендрита, иглы) или преимущественное направление той или иной оси в зернах медного осадка относительно подложки.
По внешней форме осадки меди подразделяют на монокристаллы, дендриты и сплошные. Переход от одной формы осадка к другой зависит от числа зародышей, перенапряжения и их природы и т. п. Сплошные поликристаллические осадки мели являются наиболее сложными структурными образованиями. При их осаждении развитие идет по крайней мере в три стадии: зарождение отдельных кристаллов на подложке, рост отдельных кристаллов до слияния их в сплошной слой, коллективный рост кристаллов в сплошном слое. Количество, а следовательно, и размеры отдельных кристаллов меди на подложке и их рост до слияния зависят от природы материала катода, плотности тока, состава электролита.
Число возникающих кристаллов меди на катодах из вольфрама, молибдена, ниобия и тантала определяется плотностью тока, но в области низких плотностей тока число зародышей кристаллов меди не зависит от нее. Это область образования «единственного зародыша кристалла» на данной площади катода. При высоких плотностях тока также есть область, где число кристаллов при повышении плотности тока увеличивается незначительно, что обычно связывают с заполнением активных мест на катоде или с перекрытием зон роста.
Лекция "Экономическая, психологическая и социальная эффективность рекламы" также может быть Вам полезна.
Структура сплошных осадков меди довольно разнообразна. Основным типом являются осадки со столбчатой структурой. Такие осадки возникают на подложке и укрупняются по мере роста. В присутствии примесей, ингибирующих рост, получаются осадки меди сферолитной структуры, которые состоят из кустов зерен, расходящихся веером. При очень низких плотностях тока возможен блочный тип структуры, состоящий из очень крупных зерен, число которых практически сохраняется во всех сечениях, параллельных подложке. Поверхность осадков такого типа образована гладкими гранями, обычно наклонными к подложке. Изменение условий в процессе осаждения меди (например, периодическая остановка электроосаждения, особенно в присутствии ПАВ) приводит к слоистым осадкам. Переход от одной формы осадка к другой объясняют, исходя из числа образующихся зародышей и направлений их роста, структуры и градиентов электрического, концентрационного и температурного полей в электролите, в осадке и на их границе.
Актуально получении текстурированных осадков меди, т. е. осадков с какой-либо одной кристаллографической ориентацией; такие осадки имеют специфические физико-механические свойства. Наличие текстуры и ее тип зависят прежде всего от вида подложки, ее кристаллической структуры, плотности тока, состава и температуры электролита. В результате экспериментального исследования текстуры катодного осадка на матричных листах двух сортов (прокатанных на гладких валках и полированных после прокатки) рентгенографическими и микроскопическими методами установлена преимущественная ориентировка кристаллитов в зависимости от подготовки поверхности матричного листа.
Порошкообразные осадки меди после съема с катодов представляют собой механическую смесь сростков частиц сложной формы с различной структурой поверхности и размерами. Это связано с тем, что в процессе роста осадок проходит несколько стадий, при этом форма и структура сростков частиц могут существенно меняться. В условиях гальваностатического режима получения медного порошка сначала поверхность катода частично или полностью покрывают тонким слоем компактной меди (первая стадия); с незначительной задержкой на катоде начинает выделяться водород. Затем появляются и начинают расти отдельные дендриты (вторая стадия), которые впоследствии разрастаются, ветвятся, образуя кусты (третья стадия). На четвертой стадии происходит переход от дендритного к компактному осадку, и на завершающей пятой -образование компактных отложений на вершинах кустов. Каждая из указанных стадий переходит одна в другую постепенно, представляя собой достаточно сложный процесс, усугубляющийся тем, что с течением времени в глубине порошкообразного осадка, в канальцах между кустами, концентрация ионов меди (II) падает практически до нуля, а концентрация серной кислоты возрастает.
После осаждения меди в течение первой минуты поверхность катода покрыта металлом крайне неравномерно; большая часть осадка располагается по границам ячеек. Основу осадка меди составляют сростки мелких округлых частиц размером не более (3...5) мкм. Плотно сросшиеся частицы формируют куст, который начинается из отдельного центра зарождения и имеет форму конуса, опирающегося вершиной на катод. Осадок на границах ячеек представляет собой плотное скопление таких кустов. По мере увеличения продолжительности осаждения ячеистое строение осадка становится все более отчетливо выраженным.
Вблизи поверхности катода в хаотических скоплениях частиц иногда видны отверстия, представляющие собой, по-видимому, каналы выхода водорода. На этой стадии осаждения поверхность осадка имеет уже в большей степени дендритный характер. В местах стыков ячеек и вблизи их границ появляются одиночные кусты из сростков игл и пирамид. Такие микродендритные построения выступают далеко над поверхностью катода с осадком.
Со временем число дендритных кустов, их высота и разветвленность возрастают. Строение кустов специфично: он может иметь один ствол и ответвления меньшего размера или представлять собой сростки крупных ветвей, исходящих из одной точки. По мере увеличения времени осаждения кроны соседних кустов смыкаются между собой. На последней стадии получения порошкообразного металла тонкая структура осадка на вершинах кустов отличается от структуры остального осадка: между сростками микродендритов на их боковых поверхностях и вершинах происходит образование хаотически расположенных частиц округлой формы.