电镀镍与无电镀镍实验.doc

材料基礎實驗（一）電鍍鎳與無電鍍鎳實驗

电镀镍与无电镀镍实验
杨聪仁教授编撰
实验目的
由低碳钢的电镀、无电镀镍来了解电镀、无电镀之原理及差异，并可认识电镀、无电镀镍之施镀方式与镀层特性。

实验原理

2.1电镀技术
电镀是将镀件做为阴极，浸于含欲镀金属离子之电解液中，另一端置适当阳极，通入直流电后，在镀件表面析出金属膜的表面处理。
电镀目的在于表面改质，提高附加经济价值，例如装饰性用途，镀贵重金属、光泽镍、铝等；提高表面硬度，增加耐磨耗性，如镀硬铬；增加抗蚀性，如镀锡、铅；增加导电性，如镀银、铜等。
为了达到需求性质，皮膜色泽、硬度、均一性、被覆力、厚度、焊接性等，皆是考虑因素，此外，为达到适当管理与镀浴稳定性，如何分析、补充，都是应考虑的操作要点。
电镀作业步骤，依序为(1)研磨，(2)前处理，(3)电镀，(4)后处理，(5)干燥等，就欲镀对象之材质、形状、加工后情况，选择适当处理方式。
当电解液受外加电压作用时，电解质的阳离子向阴极移动，而阴离子向阳极移动，此现象称为电解(Electrolysis)，在电解时，通入之电流量与析出金属量，需遵守法拉第电解定律，即第一电解定律与第二电解定律：
第一定律：在阴极析出之金属量与通入之电量呈正比。
第二定律：在不同电解液中，通入相同电量时，各溶液析出物质质量与其电化当量成正比关系。

以1秒钟通过1安培电流，在阴极析出之物质重量，称为该物质之电化当量，单位为毫克/库仑，为使用方便起见，亦可用克/安培一小时为单位，表一为常见金属之电化当量。

名称锌镉铜铜镍镍锡锡铬铬银金化合价221223243613电化
当量毫克/库伦0.3390.5820.6580.3290.3040.2030.6150.3070.180.08961.1180.681克/安培-小时1.222.0972.3721.1861.0950.7302.2141.1070.6470.3244.0252.452电解时，实际析出重量与依电解定律计算理论值之比例，用百分率表示，称为电流效率，即

式中m：实际析出重量(克)，
I：通入之电流(安培)
t：时间(小时)
C：电化当量(克/安培一小时)
根据电解定律和电化当量，电流效率公式，可以导出电镀层厚度之公式为：

式中δ：镀层厚度(毫米)
γ：金属比重
Dk：电流密度(安培/平方公寸)

2.1.1电极电位(ElectrodePotential)
当金属(阳极)置入电解液中，溶解的金属阳离子，受电解液中的极性分子吸引，往电解液方向移动。但是金属中的自由电子亦有吸引阳离子的作用，使金属阳离子聚积在金属与电解液界面附近，形成「电双层」(Electricaldoublelayer)，产生了电压，即金属的电极电位。
金属的电极电位，可视为金属释出电子能力的电化学位能，金属释出电子倾向愈大，其电化学位能愈高，金属的电极电位绝对值无法测定，通常以相对于氢标准电极零电位比较而得。
Mn++ne-M E0
H++e-1/2H2 E0=0伏特
按照能斯特方程式(Nernstequation)

在25℃时，并假设金属为标准热力状态(aM=1)

离子浓度的改变为影响电极电位的主要因素，将溶液稀释的话(即降低值)，会使得E值向负方向移动，也就是金属更容易溶解，当=1，E=E0=标准电极电位，E0值为较大之负值时，代表金属易溶解成阳离子，此类金属如钾、钠、铝，活性大或容易氧化。

2.1.2极化与过电压
(1)极化的成因
当有电流流过电极时，电极上发生一系列的化学过程，例如析出气体、金属离子沈积、金属或气体的溶解、产生氧化膜等等，过程的每一步都或多或少地存在着阻力或障碍(barrier)，为了使电极过程能够继续不断地进行，就需要消耗自身较多的能量或额外增加一定的电压去克服这些阻力，越过能量障碍高度(heightofenergybarrier)，表现在电极电位上就会出现与可逆电极电位的偏离。
任何电极反应至少包括下列三个步骤：
1.反应物扩散到电极表面
2.反应物在电极-溶液交界处进行化学反应
3.产物离开电极的扩散
这三步中若有某一过程受阻而缓慢，那这一过程将影响整个电极过程的电极电势。如果反应缓慢是由1，3步造成的，则将产生浓度极化(concentrationpolarization)。如果缓慢是由第二步造成，则将产生活性极化(activationpolarization)。
(2)极化对电镀的影响
可说利弊互见，可得到结晶细致镀层，且镀层均上性较好，但是阴极氢气析出加速，降低电流效率与镀层附着性，阳极因极化而溶解不正常，浪费电力，也影响镀液安定性。
(3)影响极化作用的因素
A.电解液浓度低时，极化作用较强，这是因为浓度低的电解液，更不易补充阴极区域阳离子缺乏的