Nieliniowy obwodowy model bipolarnego pulsacyjnego procesu elektrokrystalizacji

• Autorzy: Trzaska Z. , Trzaska M.

Warianty tytułu

EN

Nonlinear circuit model of bipolar pulsed electrocrystallization process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł koncentruje się na modelowaniu obwodowym procesów elektrochemicznych wywołanych przepływem bipolarnego prądu pulsacyjnego w elektrokrystalizatorze stosowanym do wytwarzania nanostrukturalnych materiałów metalowych (rys. 2). Uwzględniane są różne parametry decydujące o efektywności procesu i są analizowane wynikające z nich relacje obwodowe. Zasilanie elektrokrystalizatora prądem pulsującym (rys. 4) pozwala wytworzyć warstwy powierzchniowe o korzystnej morfologii i mniejszym wymiarze krystalitów (rys. 3) oraz mniejszym rozwinięciu powierzchni niż te, które są uzyskiwane prądem stałym. Przeprowadzona analiza wskazuje, że wiele czynników może mieć równoczesny wpływ na postać warstwy powierzchniowej nakładanej na wyrobach narażonych na działanie różnorodnych negatywnych zjawisk podczas ich eksploatacji. Przedstawiona charakterystyka procesu elektro krysta lizacji stanowi do brą podstawę do podejmowania działań w kierunku optymalnego sterowania przebiegiem takiego procesu w celu uzyskania pożądanego efektu. W badaniach uwzględniono wpływ składu elektrolitu na końcowy efekt procesu elektrokrystalizacji. Ustalono, że największą efektywność energetyczną uzyskuje się w przypadku dopasowania okresu pulsacji prądu zasilającego do parametrów elektrokrystalizatora. Wykorzystując model obwodowy z parametrami jego elementów odpowiednio dobranymi do jakości pożądanej warstwy powierzchniowej można wdrożyć technikę monitoringu do sterowania przebiegiem procesu technologicznego. Algorytm automatycznej optymalizacji może być odwzorowany schematem działań, który jest przedstawiony na rysunku 7. Przyjmując odpowiednie wartości pulsów prądu dodatniego Id oraz rewersyjnego Ir, a także ich czasów trwania, odpowiednio, Td oraz Tr i czasów zerowych wartości pulsów prądu T1 oraz T2 (rys. 8) można ustalić wartości optymalne parametrów układu, które zapewniają właściwy przebieg procesu osadzania powierzchniowej warstwy metalowej. Odpowiednie struktury materiału warstw zostały zidentyfikowane i zaprezentowane. W przypadku nieliniowego modelu obwodowego trzeciego rzędu przedstawiono przykładowe wyniki uzyskane ze zrealizowanych symulacji komputerowych (rys. 9), przy których generowane są procesy okresowe o specyficznych trajektoriach fazowych. Wyniki zrealizowanych symulacji komputerowych potwierdziły efektywność przyjętego modelu obwodowego dla odwzorowania złożonych procesów elektrokrystalizacji powierzchniowych warstw metalowych. Właściwy dobór parametrów modelu stanowi dobrą podstawę do ustalenia optymalnych warunków realizacji procesu. Dalsze eksperymenty numeryczne powinny zmierzać do ustalenia odpowiednich modyfikacji modelu w celu jak najlepszego jego dopasowania do określonych typów elektrokrystalizatorów.

EN

This paper focuses on modelling with electric circuits of electrochemical processes excited by bipolar pulse current in electrocrystallizator used for the production of nanostructured metals (Fig. 2). Various parameters are taken into account and they determine the efficiency of the process and the resulting circuit relationships are analyzed. Pulsating current powering the electrocrystallizator (Fig. 4) allows to create a surface layer with a favourable morphology and crystallites are smaller with less expanded surface (Fig. 3) than those obtained when basing on the direct current. The performed analysis indicates on many factors that can simultaneously affect the character of the surface layer to be imposed on products when they are exposed on influences of to a variety of negative effects during their operation. The presented characteristic of the process of crystalline electrocrystallization is the bronze base for action in the direction of involving the optimal control in the course of this process in order to achieve the desired effect. The study tested the impact of the composition of the electrolyte on the final outcome of the electrocrystallization proces. It was found that the highest energy efficiency can be achieved when fitting the pulsation period of the current supplied to the parameters of electrocrystallizator. Using the circuit model with the parameters of its elements properly matched to the desired quality of the surface layer can be implemented monitoring technique for controlling the process. Automatic optimization algorithm can be mapped according to the scheme of action, which is shown in Figure 7. Assuming the values of positive current pulses Id, and a reversible Ir and their durations, respectively, Td and Tr and the time value of zero current pulses T1 and T2 (Fig. 8) it is possible to determine the optimum values of system parameters, which ensure the proper conduct of the deposition process of metal surface layers. The corresponding structure of the material layers have been identified and presented. In the case of a nonlinear circuit model of the third order are presented samples of the results obtained from computer simulations carried out (Fig. 9), which are generated by periodic processes with specific phase trajectories. The results of computer simulations carried out have confirmed the effectiveness of the adopted model for mapping peripheral electrocrystallization complex processes of surface layers of metal. Proper selection of parameters in the model provides a good basis for determining the optimal conditions for the process. Further numerical experiments should aim to determine the appropriate modification of the model to best fit the specific types of electrocrystallizators.

Słowa kluczowe

PL

elektrokrystalizacja; warstwy powierzchniowe; modele obwodowe; symulacje komputerowe

EN

electrocrystallization; surface layers; electric circuit models; computer simulations

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 705--709
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys.

Twórcy

autor

Trzaska Z.

• Wydział Zarządzania, Wyższa Szkola Ekologii i Zarządzania w Warszawie

autor

Trzaska M.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

Bibliografia

• [1] Hu F.. Chan K. C.: Equivalent circuit modelling of Ni-SiC electrodeposition under ramp-up and ramp-down waveforms. Materials Chemistry and Physics 99 (2006) 424÷430.
• [2] Trzaska M., Trzaska Z.: Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna w inżynierii materiałowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej , Warszawa (2010).
• [3] Trzaska M., Trzaska Z.: Chaotic oscillations in fractional-order nonlinear circuit models of bipolar pulsed electroplatings. ECCTD20l1 European Conference on Circuit Theory and Design Linköping, Sweden, August 29 to 31(2011)16501÷16508.
• [4] Trzaska M., Trzaska Z.: Energetic process modelling of thin-layer electrocrystallization. Electrical Review 87 (2011) 173÷175.
• [5] Liu Z., West, A. C.: Modelling of galvanostatic pulse and pulsed reverse electroplating of gold. Electrochimica Acta 56 (2011) 3328÷3333.