NỘI DUNG
CƠ SỞ CỦA MẠ ĐIỆN
Ngành mạ điện được khai sinh bởi nhà hóa học người Ý, Luigi V Brugnatelli vào năm 1805, khi ông sử dụng pin Volta của Alessandro Volta để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên Tuy nhiên, phát minh này không được ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chủ yếu chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm Đến năm 1839, hai nhà hóa học từ Anh và Nga đã độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loại đồng cho các nút bản in Ngay sau đó, John Wright ở Birmingham, Anh đã sử dụng Kali Xyanua trong dung dịch mạ vàng và bạc, trở thành dung dịch duy nhất có khả năng tạo ra lớp mạ kim loại quý rất đẹp trong thời kỳ đó.
Năm 1840, George Elkington và Henry Elkington đã nhận bằng sáng chế cho kỹ thuật mạ điện, mở đầu cho sự phát triển của ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham Chỉ hai năm sau, sản phẩm mạ điện đã có mặt trên toàn thế giới, nhờ vào những tiến bộ trong khoa học điện hóa giúp hiểu rõ hơn về cơ chế điện kết tủa trên bề mặt kim loại Từ những năm 1850, lớp mạ kền, đồng, kẽm và thiếc chất lượng cao đã trở nên phổ biến, đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật mạ điện không chỉ mang tính trang trí.
Kể từ cuối thế kỷ XIX, sự phát minh của máy phát điện đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp mạ điện, với mật độ dòng điện và năng suất lao động tăng lên, cùng với quá trình mạ được tự động hóa Các dung dịch và phụ gia mới đã cải thiện chất lượng lớp mạ, đáp ứng nhu cầu chống ăn mòn và trang trí Sau chiến tranh thế giới thứ hai, các kỹ thuật mạ mới như mạ crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim và mạ kền sunfamat đã được nghiên cứu và phát triển thành công.
Mỹ Richard Feynman đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi
- Kĩ thuật mạ hiện là một trong ba quá trình trong chu trình LIGA - được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu nhỏ (MEMS).
2 Sự hình thành lớp mạ điện:
Điều kiện tạo thành lớp mạ điện
Mạ điện là quá trình điện phân, trong đó kim loại ở anot bị hòa tan hoặc anion phóng điện Quá trình mạ điện chủ yếu diễn ra ở catot thông qua sự kết tủa của các nguyên tử kim loại lên bề mặt cần mạ.
Quá trình tổng quát là:
- Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot:
- Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ:
Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao nhiều giai đoạn nối tiếp nhau như:
+ Quá trình cation hidrat hóa di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catot (quá trình khuếch tán).
+ Cation mất lớp vỏ hidrat, vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (quá trình hấp phụ).
+ Điện tử chuyển từ catot điền vào vành hóa trị của cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa (quá trình phóng điện).
+ Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã hình thành trước đó
Mọi trở lực trong các quá trình đều tạo ra độ phân cực catot, dẫn đến điện thế catot dịch chuyển về phía âm hơn so với trạng thái cân bằng Công thức biểu diễn mối quan hệ này là: ηc = φcb - φ = ηnđ + ηđh + ηkt.
ηc: Quá thế tổng cộng ở catot.
φcb: Điện thế cân bằng của catot.
φ: Điện thế phân cực catot (đã có dòng i).
ηnđ: Quá thế nồng độ (phụ thuộc vào quá trình khuếch tán).
ηđh: Quá thế chuyển điện tích.
ηkt: Quá thế kết tinh.
Điện kết tủa kim loại trên catot chỉ xảy ra khi điện thế catot dịch chuyển về phía âm đủ để vượt qua các trở lực hiện có.
Điều kiện xuất hiện tinh thể
Trong quá trình điện kết tủa kim loại từ dung dịch, tốc độ hình thành mầm tinh thể phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số giữa mật độ dòng điện catot Dc và mật độ dòng trao đổi i0, được thể hiện qua công thức β = Dc / i0.
Mặt khác, theo phương trình Tafel: η = a + b.log Dc
Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều dẫn đến lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn Các mầm tinh thể mới xuất hiện sẽ tham gia vào mạng lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng, nơi có mật độ nguyên tử láng giềng cao nhất Khi kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng tương tự về hình thái và kích thước, cấu trúc của kim loại nền sẽ được bảo tồn, cho phép kim loại kết tủa phát triển theo cấu trúc đó, hiện tượng này được gọi là cấu trúc lai ghép (epitaxy), diễn ra ở các lớp nguyên tử đầu tiên.
Lớp kim loại mạ sẽ dần trở về cấu trúc vốn có trong các lớp kết tủa tiếp theo, tạo ra độ gắn bám rất tốt, gần tương đương với độ bền liên kết của kim loại nền Tuy nhiên, nếu thông số mạng của chúng chênh lệch đáng kể hoặc bề mặt có tạp chất, hiện tượng lai ghép sẽ không xảy ra, dẫn đến ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bị bong tróc.
Thành phần chất điện giải:
Chất điện giải trong mạ điện thường là dung dịch nước muối đơn và muối phức Muối đơn khi hòa tan trong nước sẽ phân ly hoàn toàn thành các ion tự do, tuy nhiên, dung dịch này có độ phân cực nồng độ và phân cực hóa học không lớn, dẫn đến lớp mạ thô và độ dày không đồng đều Mặc dù vậy, dung dịch muối đơn mang lại hiệu suất dòng điện cao, đặc biệt khi nồng độ dòng tăng Thông thường, dung dịch này được sử dụng để mạ các chi tiết có hình dáng đơn giản như tấm và hộp.
Dung dịch muối phức hình thành khi các ion kim loại tương tác với các ligan để tạo thành ion phức, dẫn đến sự giảm đáng kể hoạt độ của ion kim loại tự do Sự giảm này làm cho điện thế tiêu chuẩn chuyển dịch về phía âm.
3.1.Quá trình xử lý bề mặt
3.1.1 Gia công cơ học bề mặt trước khi mạ.
- Nhằm loại bỏ hết gỉ, oxit, chất bẩn, khuyết tật,… và đạt được độ nhẵn, độ bóng sáng, giúp lớp mạ bám chắc và đẹp.
Quá trình gia công được thực hiện thông qua việc sử dụng máy mài, máy nửa tự động hoặc máy tự động, trong đó bánh mài (hay còn gọi là phớt, bóng) được quay hoặc các vòng bang với hạt mài được gắn trên bề mặt Các vật liệu cần gia công sẽ được tỳ vào để thực hiện quá trình mài hoặc đánh bóng hiệu quả.
- Cần phải cứng, sắc, có khả năng cắt gọt cao, nguồn gốc của chúng có thể từ:
+ Thiên nhiên: corun( Al2O3), cacborundun ( hỗn hợp các oxit của Al, Fe, Si, Ti,
Các nguyên liệu như đá lửa, thạch anh, cát, sắt oxit (chứa 75% Fe2O3), trepel, dolomit (CaCO3.MgCO3), đá phấn và vôi cao lanh thường được sử dụng để mài và đánh bóng Tuy nhiên, hầu hết các loại nguyên liệu này đều hiếm và có phẩm chất không đồng đều, dẫn đến độ cứng không cao.
Nhân tạo như cacborun (SiC), cacbua bo và corun điện luyện được sử dụng để mài, với khả năng vỡ ra tạo cạnh mới, giúp cắt gọn hiệu quả Bột mài như oxit sắt, crom oxit và nhôm oxit có dạng tròn, cho độ nhẵn cao và dễ dàng trong quá trình đánh bóng.
- Dùng để gắn vật liệu mài lên đế mài ( đá, phớt, bóng).
Đá mài được chế tạo từ các chất kết dính như đất chịu lửa, thủy tinh lỏng, cao su, nhựa và fenspat, kết hợp với hạt mài corundum và cacbarun có kích thước từ 250 đến 1200 μm Quá trình sản xuất bao gồm ép, đúc hoặc nung để tạo ra đế cứng Loại đá mài này chủ yếu được sử dụng cho việc mài thô và ít khi được áp dụng trong các xưởng mạ.
MỘT SỐ BÀI TẬP
Bài 1: Muốn mạ đồng một tấm sắt có diện tích tổng cộng 200 cm 2 , người ta dùng tấm sắt làm catôt của một bình điện phân đựng dung dịch CuSO 4 và anôt là một thanh đồng nguyên chất, rồi cho dòng điện có cường độ I = 10 A chạy qua trong thời gian 2 giờ 40 phút 50 giây Tìm bề dày lớp đồng bám trên mặt tấm sắt Cho biết đồng có A = 64; n = 2 và có khối lượng riêng ρ = 8,9.103 kg/m 3
Bài giải: Đổi: S = 200 cm 2 = 2.10 -2 m 2 t = 2 giờ 40 phút 50 giây = 2.3600 + 40.60 + 50 = 9650 giây
- Sau khi mạ đồng, tấm sắt sẽ bị đồng bám trên bề mặt vì thế cả khối lượng và thể tích của tấm sắt sẽ tăng lên.
- Bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 và anôt là một thanh đồng nguyên chất nên xảy ra hiện tượng cực dương tan trong quá trình điện phân.
+ Khối lượng đồng bám vào thanh sắt: m= 1
+ Chiều dày của lớp mạ là: d= V
Bài 2: Cho mạch điện như hình vẽ: Có bộ nguồn (E = 12 V; r = 0,4 Ω), R 1 = 9Ω,
Trong mạch điện có R2 = 6Ω và bình điện phân chứa dung dịch CuSO4 với anôt bằng đồng Cu và điện trở bình điện phân Rp = 4Ω, ta cần tính cường độ dòng điện qua mạch chính và khối lượng đồng thoát ra ở cực dương trong thời gian 16 phút 5 giây Cường độ dòng điện được xác định bằng cách áp dụng định luật Ohm, trong khi khối lượng đồng thoát ra có thể tính toán dựa trên định luật Faraday.
Bài giải: a) Điện trở tương đương mạch ngoài:
+ Dòng điện trong mạch chính: I = R E +r = 12 8 =1,5 A b) Khối lượng đồng thoát ra ở cực dương: m= AIt
Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ: E = 13,5 V, r = 1 Ω; R 1 = 3 Ω; R 3 = R 4 = 4 Ω. Bình điện phân đựng dung dịch CuSO 4 , anốt bằng đồng, có điện trở R 2 = 4 Ω Hãy tính: a) Điện trở tương đương R MN của mạch ngoài, cường độ dòng điện qua nguồn, qua bình điện phân. b) Khối lượng đồng thoát ra ở catốt sau thời gian t = 3 phút 13 giây Cho khối lượng nguyên tử của Cu = 64 và n = 2. c) Công suất của nguồn và công suất tiêu thụ ở mạch ngoài.
+ Điện trở tương đương RMN của mạch ngoài:
+ Cường độ dòng điện qua nguồn:
6 =1,5 A b) Khối lượng đồng thoát ra ở catốt sau thời gian t = 3 phút 13 giây: m= AIt
96500.2 =0,096 g c) Công suất của nguồn: PE = E.I = 60,75W
+ Công suất tiêu thụ ở mạch ngoài: PMN = I 2 RMN = 40,5W
Bài 1: Một tấm kim loại được đem mạ niken bằng phương pháp điện phân Biết diện tích bề mặt kim loại là 40cm 2 , cường độ dòng điện qua bình là 2A, niken có khối lượng riêng D = 8,9.103 kg/m 3 , A = 58, n = 2 Tính chiều dày của lớp niken trên tấm kinh loại sau khi điện phân 30 phút Coi niken bám đều lên bề mặt tấm kim loại. Đáp án: d = 0,03 mm
Bài 2: Chiều dày của một lớp niken phủ lên một tấm kim loại là h = 0,05 mm sau khi điện phân trong 30 phút Diện tích mặt phủ của tấm kim loại là 30 cm 2 Xác định cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân Biết niken có A = 58, n = 2 và có khối lượng riêng là ρ = 8,9 g/cm 3 Đáp án: m = 2,47A
Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ E = 9 V, r = 0,5 Ω Bình điện phân chứa dung dịch đồng sunfat với hai cực bằng đồng Đèn có ghi 6 V – 9 W; Rx là một biến trở. Điều chỉnh để Rx = 12 Ω thì đèn sáng bình thường Cho Cu = 64, n = 2 Tính khối lượng đồng bám vào catốt của bình điện phân trong 16 phút 5 giây và điện trở của bình điện phân. Đáp án: m = 0,64g
Bài 4: Một nguồn gồm 30 pin mắc thành 3 nhóm nối tiếp, mỗi nhóm có 10 pin mắc song song, mỗi pin có suất điện động 0,9 (V) và điện trở trong 0,6 (Ω) Bình điện phân có anôt làm bằng Cu và dung dịch điện phân là CuSO4, điện trở của bình điện phân là 205Ω, mắc bình điện phân vào hai cực của bộ nguồn Trong thời gian
50 phút khối lượng đồng Cu bám vào catốt. Đáp án: m = 0,013g
ỨNG DỤNG
- Xây dựng: Mạ đường sắt, ống nước, thiết bị cần khả năng chịu lực, thiết bị ngoài trời.
- Viễn thông: ứng dụng để mạ anten hoặc một số thiết bị phụ trợ khác.
- Sản xuất dân dụng: Mạ lư đồng, trang sức, bát dĩa hoặc một số vật dụng gia đình.
- Kỹ thuật cao: Sản xuất tên lửa, robot …
Một số công dụng khác của mạ điện
Một số kim loại như vàng và bạc được xem là có giá trị cao, nhưng chúng rất hiếm và đắt đỏ Bằng cách sử dụng công nghệ mạ điện, người ta có thể phủ một lớp vàng hoặc bạc mỏng lên kim loại ít giá trị hơn, tạo ra sản phẩm với vẻ đẹp và độ bóng của kim loại quý, nhưng với chi phí thấp hơn nhiều.
Ứng dụng thương mại đầu tiên của mạ điện đã ra đời từ đầu những năm 1800, với lớp crôm mỏng thường được sử dụng trên các thiết bị và ô tô, mang lại vẻ ngoài sáng bóng và thu hút.
Mạ điện giúp bảo vệ bề mặt bằng cách phủ lên chúng một lớp kim loại mỏng, có khả năng chống ăn mòn vượt trội hơn so với vật liệu chính của bề mặt đó.
Kẽm và cadmium bảo vệ bề mặt kim loại bên dưới bằng cách phản ứng mạnh hơn và ăn mòn trước lớp kim loại cơ bản Ngược lại, đồng, niken và crom tạo ra một lớp phủ bảo vệ mà không tham gia vào phản ứng ăn mòn.
Vàng và bạc là những chất dẫn điện xuất sắc nhưng có giá thành cao Bằng cách sử dụng kỹ thuật mạ điện, chỉ một lượng nhỏ các kim loại quý này có thể được tích hợp vào linh kiện điện tử và mạch tích hợp Các thiết bị điện tử như điện thoại di động và máy tính đều áp dụng kỹ thuật mạ điện trong mạch của chúng.
Mạ điện không chỉ mang lại thẩm mỹ, bảo vệ khỏi sự ăn mòn và tính dẫn điện, mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
+ Bảo vệ khỏi mài mòn
+ Bảo vệ khỏi bức xạ
+ Hoặc truyền các đặc tính mong muốn lên bề mặt thiếu những tính chất đó.
Mạ điện không chỉ nhằm truyền đạt các đặc tính của lớp mạ, mà còn được sử dụng để kiểm soát kích thước của các bộ phận máy Phương pháp này cho phép làm dày các bộ phận có kích thước nhỏ đến kích thước chính xác mong muốn.
