1、管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（ ）第二章 電鍍基本原理與概念2.1 電鍍之定義 電鍍(electroplating) 被定義為一種電沈積過程(electrodepos- ition process)， 是利用電極(electrode)通過電流，使金屬附著於 物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。 2.2 電鍍之目的 電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層 (deposit)，改變基材表面性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。2.3
2、 各種鍍金的方法 電鍍法(electroplating) 無電鍍法(electroless plating) 熱浸法(hot dip plating) 熔射噴鍍法(spray plating) 塑膠電鍍(plastic plating) 浸漬電鍍(immersion plating) 滲透鍍金(diffusion plating) 陰極濺鍍(cathode supptering)真空蒸著鍍金(vacuum plating) 合金電鍍 (alloy plating)複合電鍍 (composite plating 局部電鍍 (selective plating) 穿孔電鍍 (through-hol
3、e plating) 筆電鍍(pen plating)電鑄 (electroforming) 2.4 電鍍的基本知識 電鍍大部份在液體 (solution) 下進行，又絕大部份是由水溶 液 (aqueous solution) 中電鍍，約有 30 種的金屬可由水溶液進 行電鍍, 由水溶液電鍍的金屬有：銅 Cu、鎳 Ni、鉻 Cr、鋅 Zn、鎘 Cd“ 、鉛 Pb、金 Au、銀 Ag、鉑 Pt、鈷 Co、錳 Mn、銻 Sb、鉍 Bi、汞 Hg 、鎵 Ga、銦 In、鉈、As、 Se、Te 、Pd、Mn 、Re 、Rh、Os、Ir、Nb、W 等。有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、
4、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo 等。可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。 電鍍的基本知識包括下列幾項： 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）溶液性質 物質反應電化學 化學式界面物理化學 材料性質2.4.1 溶液(solution) 被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體稱之溶 劑(solute)。溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution)。 表示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)。 在一定量溶劑 中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度(solubility)。
5、達到溶解度 值之溶液稱之為飽和溶液(saturated solution)，反之為非飽和溶 液(unsaturated solution)。 溶液之濃度，在工廠及作業現場，使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。 2.4.2 物質反應(reaction of matter) 在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。 2.4.3 電鍍常用之化(chemical formular) 見附錄
6、一。 2.4.4 電化學(electrochemistry) 電鍍是一種電沉積 ( electrodeposition )過程,利用電解體 electrolysis)在電極(electrode)沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。電化學 是研究有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。 電解質(electrolyte)例子 NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液 (electrolyticsolution)它含有部份之離子(ions),經由此等離子之移動 (movement)而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(anion),帶正電荷朝向陰極 (cathode)移動(mi
7、grate)者稱之為陰離子 cations)。這些帶電荷之粒子(particles)稱之為離子(ions) 。放出電 子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),得到電子產生還元化應 之電極稱之為陰極(cathode)。整個反應過程稱之為電解(electrolysis) 。 2.4.4.1 電極電位(electrode potentials) 電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中之導電體,電流 經由它流入或流出。 電極電位(electrode potential)是電極與電解液之間的電動勢差 , 單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(sta
8、ndardelectrode)。 例如氫標準電極(hydrogen standard electrode)以其為基準電位為 0 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）電極電位之大小可由 Nernst equation 表示之: E=E0+RT/nF ln aMn+/aM E=電極電位 E0=電極標準狀態電位(volt) R=氣體常數 (8.3143 J.K-1MOL-1) T=絕對零度( K) n=原子價之改變數(電子移轉之數) aMn+=金屬離子之活度(activity),若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬 離子 之濃度(concentration)C。
9、一般則活度為濃度乘上活度係數,即 a = r *c。 金屬電極之活度,若為純金屬即為 1 。 法拉第常數 2.4.4.2 標準電極電位(standard electrode potential) 標準電極電位 (standard electrode potential)是指金屬電極之活度為 1(純金屬)及在金屬離子活度為 1 時之電極電位。即 E=E0 E=E0+RT/nF ln 1/1 =E0+0= E0 氫之標準電位在任何溫度下都定為 0,做為其他電極之參考電極 (REFERENCEELECTRODE),以氫標準電極為基準 0,各種金屬之標 準電位見表排列在前頭之金屬如 Li 較易 失去電
10、子, 易被氧化,易 溶解,易腐蝕,稱之為濺金屬或 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）金屬(basic metal)。相反如 Au 金屬不易失去電子.不易氧化 .不易溶解.容易被還元稱之為貴金屬(noble metal)。 電極電位電極電位Li+ -3.045 Co ? Co+2 -0.277 Rb? Rb+ -2.93 Ni ? Ni+2 -0.250 K? K+ -2.924 Sn ? Sn+2 -0.136 Ba? Ba+2 -2.90 Pb ? Pb+2 -0.126 Sr ? Sr+2 -2.90 Fe ? Fe+3 -0.04 Ca ? Ca
11、+2 -2.87 Pt/H2? H+ 0.000 Na 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）? Na+ -2.715 Sb ? Sb+3 +0.15 Mg ? Mg+2 -2.37 Bi ? Bi+3 +0.20 Al ? Al+3 -1.67 As ? As+3 +3 Mn ? Mn+2 -1.18 Cu ? Cu+2 +0.34 Zn ? Zn+2 -0.762 Pt/OH-? O2 +0.40 Cr ? Cr+3-0.74 Cu ? Cu+ +0.52 Cr ? Cr+2 -0.56 Hg ? Hg2+2 +0.789 Fe 管理资源吧（） ，提供
12、海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）? Fe+2 -0.441 Ag ? Ag+ +0.799 Cd ? Cd +3 -0.402 Pd ? Pd+2 +0.987 In ? In+3 -0.34 Au ? Au+3 +0.150 Tl ? Tl+ -0.336 Au ? Au+ +1.68 表 2.4.4.22.4.4.3 Nernst 電位學說 金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液界面 ,會產生 電荷移動現象,此等電荷之移動 ,仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別稱之為電位差所引起,此現象 Nernst 解說如下: 設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離
13、溶解液解壓 (electrolatic solution pressure)為 p 而使溶液中的陽離子得到電子 還元成金屬滲透壓(osmotic pressure)為 p,則有三種情況發生: (1) PP 時, 金屬被氧化, 失去電子,溶解成金屬離子於溶液中,因此金屬電極本體接收電子而帶負電。(2) PP 時, 金屬陽離子得到電子被還元沉積於金屬電極表面上,金屬電極本身供給電子,因此金屬電極帶正電 (3) P=P 時, 沒有產生任何變化設金屬與溶液的界面所形成的電極電位為 E,當 1 mole 金屬溶入於溶液中 ,則界面所通過的電量為 nF , n管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更
14、多免费下载，尽在管理资源吧（）為金屬陽離子之價數,即電子之轉移數,F 為法拉第常數,此時所作功等於 nFE,也等於下式: nFE=ppVdp=RTppdp/p=-RTlnP/PE=R管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）T/nFlnP/P即金屬陽離子之活度(activity)為aMn+活度係數為管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）K,則P=KaMn+於是E=-RT/nFlnp/KaMn+=-RT/n管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）FlnP/K+RT/nFlnaMn+E在標準
15、狀態時,即aMn+=1,稱為標管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）準電極電位E,即E0=-RT/nFlnP/K+RT/nFln1=-R管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）T/nFlnP/R所以純金屬的電極電位用上列式子表示: 非純金屬電位則為: E=E0+RT/NflnaMn+/aM式中管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）為aM為不純金屬之活度2.4.4.4電極電位在熱力學的表示法 電極反應是由氧化反應及還原反應所組成. 例如 Cu ? Cu+2e- 還原狀態 氧化狀態 可用
16、下列二式表示之 : CuCu+2e-氧化反應管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）CuCu+2e-還原反應例1:氧電極反應之電位1/2O2+H2管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）O+2e-?2OH-例2:氯化汞電極反應之電位Hg2+2+2e-?2Hg管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）E=E0-RT/nFlnaHg(s)/aHg2+2例3:氫電極反應之電位管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）1/2H2(g)?H+e-E=E0-RT/Fl
17、naH+/aH21/2(g)2.4.4.5 電極電位之意義 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）(1)電解電位分類為三種: M/M+n 即金屬含有該金屬離子的相接觸有二種形式:金屬與溶液間之水大於金屬陽離子 M+n 與電子的結合力 ,則金屬會溶解失去電子形式金屬陽離子與水結合成為 M+n xH2O,此時金屬電極獲得額外電子,故帶負電這類金屬電極稱之陰電性,如 Mg.Zn.及 Fe 等浸入酸.鹽類水溶液時產生此種電極電位 Mt M(aq)+n+ ne- 金屬與溶液的水親合力小於金屬離子 M+n 與電子結合力時,金屬離子會游向金屬電極得到電子而沉積在金屬電極
18、上,於是金屬電極帶正電,溶液帶負電 o (2)金屬 M 與難溶性的鹽 MX 相接觸,同時 MX 又與陰離子之 KX 相接觸,即(M A MX,KX) 如 化汞電極(Hg2Cl2) o(3)不溶性金屬,如 Pt,與含有氧化或還元系離子的溶液相接觸,例如 Pt A Fe+ .FE+或 Pt A Cr+2,Cr+3 等 o2.4.4.6 界面電性二重層在金屬與溶液的界面處帶電粒子與表面電荷形成的吸附層， 偶極子的排列層以及擴散層等三層所組合的區域稱之為界面 電性二重層。 2.4.4.7 液間電位差（ liquid junction potential） 又稱之為擴散電位差(diffusion pot
19、ential)，係由陰離子與陽 離子之移動度不同而形成之電位差，通常溶液之濃度差愈大 ，陰陽離子移動度差愈大，則液間電位差愈大。 2.4.4.8 過電壓（overvoltage） 當電流通過時，由於電極的溶解、離子化、放電、及擴 散等過程中有一些阻礙，必須加額外的電壓來克服，這些 阻礙使電流通過，這種額外電壓消除阻礙者稱之為過電壓。此種現象稱之為極化(polarization)。此時陰極、陽極實際電 位與平衡電位之差即為陰極過電壓、陽極過電壓。 過電壓可分下列四種 ： 1.活化能過電壓（activiation overvoltage） 任何反應，不論吸熱或放熱反應皆有最低能障需克服 ，此能障稱
20、為活化能，在電解反應需要額外電壓來克服活化能阻礙，此額外電壓之活化能過電壓，可用 Tafel 公式表示： 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）gact=a+blogib為係數，i管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）為電流，gact為活化能過電壓其電流i愈大gact愈大，電鍍中gact佔很小一部份，幾乎可管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）以忽略，除非電流密度很大。氫過電壓（hydrogenovervoltage），在酸性水溶液中陰管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更
21、多免费下载，尽在管理资源吧（）極反應產生H2氣體，此額外之電壓稱氫過電壓，即gH2=Ei-Eeq式中gH2=管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）氫過電壓Ei=實際電壓Eeq=平衡電壓在電鍍時由於氫過電壓的原因使氫氣較少產生，而管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）使許多金屬可以在水溶液中電鍍。例如鋅、鎳、鉻、鐵、鎘、錫、鉛。2.濃度過電壓（concentration overvoltage）當電流變大，電極表面附近反應物質的補充速度及反應生成物 逸散之速度不夠快，必須加上額外之電壓，以消除此阻礙，此額外 電壓稱濃度過
22、電壓。在電鍍時可增加溫度即增加擴散速率，增加濃 度，攪拌或陰極移動可減少濃度過電壓，電流密度因而提高，電鍍的 速率也可增加。 3.溶液電阻過電壓（solution resistance overvoltage） 溶液的電阻產生 IR 電壓降，所以需要額外的電壓 IR 來克服此電 阻使電流通過，此額外電壓 IR 稱之溶液電阻過電壓。在電鍍時可增加溶液導電度，提高溫度以減少此電阻過電壓，有時此 IR 形成熱量太多會使鍍液溫度一直上升，造成鍍液蒸發損失需冷卻或補充液。 管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）4.電極鈍態膜過電壓（passivity overvol
23、tage） 電解過程，在電極表面會形成一層鈍態膜，如 A1 的氧化物膜 ，錯離子形成之阻力膜，此等膜具有電阻需要額外電壓加以克服 ，此種額外電壓稱之為鈍態膜過電壓。 2.4.4.9 分解電壓（decomposition potential ） 電壓愈大，電流愈大，反應速率也愈大，其電壓與電流的關係如圖所示。E 點之電壓稱之分解電壓，亦稱之實際分解電壓(praticaldecomposition potential)，然而要產生電流 I 所需之電壓為： EI=E0+gTOTALgTOTAL=gc+ga+g管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）conc.+IR
24、E0=Ec-Ea式中:E0=平衡電動勢Ec=陰極可逆電極電管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）位Ea=陽極可逆電極電位gc=陰極過電壓ga=陽極過電壓gcon管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）c.=濃度過電壓I=電流強度R=電阻例:使用銅做陽極，硫酸銅溶液鍍銅，其欲產管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）生電流I所需之電壓為：EI=E0+gc+ga+gconc.+IREI=gc+ga管理资源吧（） ，提供海量管理资料免费下载！更多免费下载，尽在管理资源吧（）+gconc+IR因Ec=EaEa=0例:硫酸鋅鍍鋅使用鋅做陽極，攪拌良好，則產生電流
