МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПРОЦЕСІВ У НЕЛІНІЙНОМУ КОЛІ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРА ІМПУЛЬСНОГО ОСАДЖЕННЯ МЕТАЛЕВИХ ПОКРИТТІВ

Анотація

Метою даного дослідження є побудова аналітичної моделі електромагнітних процесів у нелінійному електричному колі електролізера, який працює в режимі імпульсного осадження металевих покриттів. Особливу увагу приділено впливу параметрів реверсованої прямокутної напруги на прикатодний спад напруги, струм осадження та загальні електрофізичні характеристики процесу. Дослідження спрямовано на виявлення оптимальних режимів роботи джерела живлення, які забезпечують найвищу якість осадженого шару при мінімальних енергетичних затратах. Методика. Для опису процесів у колі було використано метод перетворення змінних та побудовано систему диференціальних рівнянь, що відображає динаміку напруги та струму в умовах імпульсного живлення. У моделі враховано ключові елементи кола: активний опір, ємність, індуктивність електроліту, а також нелінійні провідності, що характеризують електрохімічну поведінку системи. Для аналізу якості покриття здійснено моделювання в інтервалах прямого та зворотного імпульсів із подальшим визначенням максимальних і мінімальних значень прикатодного спаду напруги та повного струму. Проведено чисельне порівняння з аналітичними результатами для перевірки точності моделі. Результати. У результаті дослідження отримано замкнені аналітичні вирази, які описують часові залежності напруги та струму осадження. Показано, що індуктивність електроліту суттєво впливає на форму імпульсу струму та, відповідно, на кінетику росту покриття. Встановлено, що оптимальне співвідношення тривалості прямого та зворотного імпульсів лежить у межах τ/T≈0.73…0.78. У цьому діапазоні максимальні значення прикатодного спаду напруги не перевищують 0.6 В, а загальний струм та напруга джерела залишаються у безпечних межах (до 150 А та 13 В відповідно). Водночас середній частковий струм розряду іонів металу на катоді становить приблизно 70 А, що свідчить про стабільну швидкість осадження. Наукова новизна. Запропоновано нову аналітичну модель електролізера, яка вперше враховує індуктивність електроліту в імпульсному режимі. Це дозволило розширити існуючі підходи до моделювання електрохімічних процесів та отримати точні формули для ключових параметрів без необхідності повномасштабного чисельного моделювання. Також встановлено кількісні критерії, що визначають граничні значення параметрів напруги й тривалості імпульсів, за яких забезпечується мінімізація дефектів кристалічної структури покриття. Практичне значення. Результати дослідження мають прикладне значення для галузей, де застосовується електрохімічне осадження – зокрема, у мікроелектроніці, гальванотехніці, машинобудуванні та енергетиці. Запропоновану модель можна використовувати як основу для створення сучасних імпульсних джерел живлення з оптимізованими режимами роботи. Крім того, вона стане в пригоді при розробці систем автоматизованого контролю процесів осадження та адаптації лабораторних рішень до умов промислового виробництва.