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超纯水电解加工的水解离机理研究

[导读] 介绍了一种以超纯水为电解液的电解加工工艺方法,即超纯水电解加工技术。

1引言 

自 20世纪 50年代电解加工问世以来,因其具 有加工效率高、表面质量好、无切削力等工艺特点而 得到发展和应用[ 1] ,但在传统电解加工中,通常采 用具有腐蚀性的电解质水溶液作电解液,对加工零 件可能产生腐蚀和污染,这是在精密元件的加工中 要特别注意避免的,这也限制了电解加工的可持续 发展和在微细加工中的应用。为此,日本有学者提 出以超纯水为电解液的构想 [ 2] ,显示了其在微细、 精密加工领域良好的应用前景。 超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础 上,利用超纯水作电解液,并采用阳离子交换膜来提 高超纯水中 OH -离子的浓度,使电流密度达到足够 去除材料的一种新型电解加工工艺方法。常温、常 压下,超纯水中 OH -离子浓度只有 10-7 mol /L,在电场强度为40kv的条件下,电流密度只能达到 10-5 A /cm2数量级,达不到电解去除材料的条件。 但是通过强酸性阳离子交换膜提高纯水中离子浓 度,在同样电场强度下,电流密度可达 100 A /cm2数 量级。而电解电流密度为 1 ~ 10 A /cm2,相应电解 Cu、Mo、Fe的速度,已达 1 ~ 10 μ m /m in数量级,这 已进入实用微细电解加工速度范围,展现了能实现 微细加工的可行性。比使用一般电解液的微细电解 加工,环境清洁、无污染、加工过程的循环和加工后 的废液中因为不含电解质而处理更加方便。 

2 超纯水电解加工中水解离机理分析 

2 . 1 水解离模型 超纯水电解加工过程中的水解离机理是基于离 子交换膜对阴阳离子的选择透过性能,在直流电场 的作用下,使阴阳离子发生定向迁移且由它们完成导电的任务。 图 1绘出了超纯水电解加工过程中以离子状态 去除材料的原理。超纯水是一种极弱的电解质,电 离度极小,初始阶段,在直流电场作用下,离子交换 膜内和超纯水中离子迁移的速度一致且形成微弱的 电流,随着外部电压的升高,电流也随着变大,超纯 水中自由状态下的 OH -和 H +不能满足传递电流的 需求,离子交换膜内与超纯水中的离子迁移速度不 同,这样在离子交换膜的界面层形成离子浓度差,进 而产生附加电势,迫使界面层中的水解离成 OH -和 H +来补充传递电流的不足。

2.2在超纯水电解加工中[6] ,要尽量选择合适的工 艺参数及一定纯度的超纯水以确保离子交换膜的工 作区域在第二个拐点之后的过极限电流区域,从而 保证超纯水电解加工的顺利进行,在电解加工过程 中,超纯水中含杂质离子越少,离子交换膜促进水解 离越强。超纯水流量对水解离没有明显影响,增大 纯水流速有抑制水解离的作用。 

3 超纯水电解加工中水解离试验研究 在超纯水水解离试验中,选用北京环宇利达环保 设备有限公司开发生产的均相阳离子交换膜,以蒸馏 水代替超纯水为电解液,工具阴极为不锈钢丝,工件 阳极采用难溶解的铂金片,从而保证在水解离试验过 程中阴阳极之间间隙不变。

4 结论

 (1)超纯水在常温条件下离子浓度极低,不能 用于电解加工去除材料,但是通过离子交换促进水 解离来提高超纯水中离子浓度后,在试验过程中电 流密度达到 3 . 7 A /cm2,在实用微细电解加工电流 密度的范围内,说明基于离子交换促进水解离的超 纯水电解加工是可行的。

 (2)由超纯水水解离机理分析及试验过程中的 电流密度变化得出极限电流密度对应的电场强度, 约为 2MV /m,为以后超纯水电解加工工艺试验参 数的选择提供了依据。


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