超快激光辅助电化学沉积的流场分布和沉积形貌模拟方法

本发明属于电沉积，具体涉及一种超快激光辅助电化学沉积的流场分布和沉积形貌模拟方法。

背景技术：

1、电沉积技术在现代工业中发挥着不可或缺的作用，尤其是在高端技术与极端制造技术行业中，如超疏水表面、纳米晶镀层、3d打印和电池电极等。但是，由于电沉积技术特性和自身缺陷，沉积层往往会出现结构疏松、缩孔和表面粗糙度大等问题。为了解决这些难题，多种复合电沉积技术被提出，如超声波与电沉积复合，磁场与电沉积复合，硬质粒子摩擦电沉积和激光与电沉积复合，这些复合加工方式被证明有效地改善了电沉积质量及一些复合材料的沉积效果。其中飞秒激光具有热作用范围小、瞬时功率高的特点，利用脉冲激光的光、热、空化效应作用在电沉积阴极表面，可以实现与电沉积的多能场复合加工。但是，从激光电化学复合沉积技术的发明和应用以来，关于激光电化学复合的作用机理研究较少。因此，找到一种合适的方法来预测超快激光辅助电沉积过程中的流场分布和沉积形貌，以明确超快激光复合电沉积技术的作用机理，为其走向高精微纳增材制造有着广泛而深远的意义。

2、现有技术中公开了通过脉冲激光电化学复合沉积实验系统，发现激光在电化学复合沉积过程中能形成以等离子体冲击为主的冲击效应，脉冲激光的冲击效应可以形成独特的微区搅拌效应，有效改善液相传质环境，增大阴极过电位，使晶粒细化明显，沉积体内部气孔减少。但是通过实验的方法来研究激光在沉积液中传输过程中流场与沉积形貌的关系存在如下不足：一是流场变化较复杂，难以通过实验的方式进行观测；二是实验成本高。

3、现有技术公开的通过建立纳秒激光电化学复合沉积镍的有限元分析模型，针对激光的热效应、空化效应、光效应在电沉积传质过程中、电极反应过程、电结晶等方面的作用进行了机理分析，并发现纳米激光复合电化学沉积技术会显著提高沉积件的力学性能。上述模型所使用的激光均为纳秒激光，分析模型中忽略了纳秒激光的热效应对沉积液的影响，忽略了流场对沉积形貌的影响，具有一定局限性。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种超快激光辅助电化学沉积的流场分布和沉积形貌模拟方法，通过在沉积体的基板处加入超快激光，进行热场、流场以及电场等多物理场耦合，并在模型中引入双温方程以及三次电流分布，以此实现预测模型的准确性和全面性。

3、本发明的技术方案是：超快激光辅助电化学沉积的流场分布和沉积形貌模拟方法，具体步骤如下：

4、在多物理场仿真软件中构建二维轴对称传热、固体和流体传热、三次电流分布以及层流的多物理场耦合场模型；

5、构建沉积槽和基板的几何模型，并在多物理场仿真软件中设置激光属性、材料的物理参数及电沉积属性；

6、在多物理场仿真软件中，基于双温方程构建超快激光传热模型；

7、设置超快激光传热模型初始和边界条件，并构建电沉积场；

8、将超快激光传热模型与电沉积场耦合，构建超快激光辅助电化学沉积模型；

9、对超快激光辅助电化学沉积模型进行划分网格；

10、对超快激光辅助电化学沉积模型进行计算分析。

11、本发明的进一步技术方案是：所述多物理场耦合场模型的模型假设为，在超快激光辅助电沉积的过程中不考虑电离以及等离子体的产生，激光能量分布为标准的高斯分布,热源项s(x,t)在高斯激光脉冲辐照下s(x,t)的表达式为：

12、

13、其中，x是与激光作用表面距离，t是激光作用时间，α是吸收深度，β＝4ln(2)；r是表面对激光的反射率；tp为脉冲宽度；j为激光能量密度。

14、本发明的进一步技术方案是：所述多物理场耦合场模型的建立方法为，用多物理场仿真软件建立二维轴对称固体传热、固体和流体传热和三次电流分布模型，选择层流模型，并选择研究方式为瞬态。

15、本发明的进一步技术方案是：所述多物理场耦合场模型的仿真计算中采用的物理场为“固体传热”和“固体和流体传热”物理场，在固体中的传热方程为：

16、

17、其中，ρs为固体密度，cps为固体的比热容，ks为固体导热系数，t为温度，u为速度向量，q为热流密度，t为时间，q代表内热源；

18、液体中采用的传热方程与固体中的一致；

19、在“三次电流分布”物理场中的传质控制方程如下：

20、

21、其中，ri为电解质总通量，ji为扩散和电迁移引起的电解质通量，zi为带极性的电荷数，um,j为离子迁移率，为电解质电位，ci为i离子浓度，di为i离子的扩散系数，下角标i为离子种类、m为迁移率、l为电解质，f为法拉第常数；

22、其中阴极表面的控制方程如下；

23、

24、

25、其中，η为过电位，为电极外部电位，为电解质电位，eeq为平衡态电位，iloc,expr为局部电流密度，c0为本体氧化物浓度，为电极表面氧化物浓度，cr为本体还原物浓度，为电极表面还原物浓度，iloc为反应电流密度，ilim为极限扩散电流密度，f为法拉第常数，i0为交换电流密度。

26、层流中单相流体流动的控制方程基于navier-stokes方程，如下所示：

27、

28、上述公式分别为质量守恒、动量守恒、能量守恒；其中，f为体积力，在仿真中即为液体重力，i为液体的转动惯量，τ为液体的粘性应力张量，s为应变率张量，ρ为流体密度，p为压力，cp为比热容，q为内热源。

29、本发明的进一步技术方案是：所述多物理场仿真软件中需要设置的参数，激光属性中的脉冲宽度、表面对激光的反射率、激光功率、光束半径、电子晶格耦合系数、电子热容、电子热导率、晶格热容以及晶格热导率；固体属性中的固体密度、固体比热容以及固体导热系数；液体属性中的溶液密度、溶液比热容以及溶液导热系数；电沉积属性中的阳极电位、阴极电位、传递系数、阴阳离子电荷数、阴阳离子扩散系数以及电解液初始浓度。

30、本发明的进一步技术方案是：所述基于双温方程构建超快激光传热模型的方法为，

31、在多物理场仿真软件中，创建变量热源项s(x,t)；

32、在多物理场仿真软件中，添加物理场时选择创建“固体传热”，重命名为电子传热，设置环境初始温度；并设置传热方式服从双温方程，得到一维双温两步热传导模型：

33、

34、其中，ce为电子热容；cl为晶格热容；ke为电子热传导率；te为电子温度；tl为晶格温度；g为电子-晶格耦合系数；

35、然后激光热源项选择变量热源项s(x,t)-g(te-tl)；

36、在多物理场仿真软件中，添加物理场时选择创建“固体传热”，重命名为晶格传热，设置环境初始温度；传热形式服从双温方程，激光热源项选择g(te-tl)，即得到超快激光传热模型。

37、本发明的进一步技术方案是：所述设置超快激光传热模型初始和边界条件，并构建电沉积场的方法为，

38、在多物理场仿真软件中选择“固体和流体传热”，设置固体为基板，根据基板材料设置导热系数、密度以及等压热容，液体为电解液，根据电解液性质设置导热系数以及恒压热容环境；设置初始温度，其中热源来自晶格传热，即热源项为g(te-tl)；

39、在多物理场仿真软件中选择“三次电流分布，支持电解质”，设置环境初始温度、电解液初始浓度；在“物质电荷”处定义阴阳离子电荷数，在“电解质”处定义阴阳离子扩散系数；创建“电极表面”模块，重命名为阴极表面，然后设置“电极反应”，即得到电沉积场；

40、根据模拟材料的性质设置阴极参与电子数以及阴极传递系数；

41、阳极表面设置方式同上；

42、在多物理场仿真软件中选择“层流”，设置流场中的边界条件，流场中流体受到重力的作用；选择“层流”在“层流”的“重力”选项中设置y方向的重力加速度为-g_const；并且对多物理场中的“非等温流动”的耦合接口流体流动选择“层流”，传热选择“固体和流体传热”。

43、本发明的进一步技术方案是：所述构建超快激光辅助电化学沉积模型的方法为，将所述电极反应的参考交换电流密度以及参考平衡电位均作为温度的函数，这两项数据均来源于实验中对不同温度下材料tafel曲线测试的结果，带到多物理场仿真软件，作为插值函数，应用到电极反应模块的参考交换电流密度以及参考平衡电位，即完成超快激光传热模型与电沉积场的耦合，构建出超快激光辅助电化学沉积模型。

44、本发明的进一步技术方案是：所述沉积槽和基板的几何模型为二维轴对称模型，将基板与沉积液交界处以及对称轴处划分为网格细化层，剩余部分为网格粗化层。

45、本发明的进一步技术方案是：所述计算分析的方法为，在多物理场仿真软件中“研究”模块的步骤类型选择“瞬态”，设置计算步长为0.1ps，计算时间为40ps；选择需要研究的物理场和变量进行耦合求解，计算结束后对温度场、流场以及沉积形貌进行分析处理。

46、有益效果

47、本发明的有益效果在于：本发明中基于双温方程以及butler–volmer方程分别推导模拟超快激光传热以及电沉积过程，可以更加科学且精确地模拟超快激光辅助电沉积这一多物理场耦合过程，并且解决了现有研究中未考虑激光的热效应对沉积质量的影响。本发明所采用的超快激光相较于纳秒激光更容易实现微纳制造，并且超快激光的脉冲持续时间短，不会给周围材料带来热影响。

48、本发明利用comsol有限元多物理场仿真软件建立的超快激光辅助电沉积的物理模型，实现了电解液中流场分布以及沉积形貌的模拟预测，解决了实验过程中对超快激光辅助电沉积的物理过程难以观测的问题，并且通过模拟预测实验避免在实验过程中出现影响沉积质量的因素，节约实验成本。