極間距

電解極間距是指陰、陽二電極工作面之間的垂直距離。在鋁電解中，為便於測量，一般常取陽極底 掌至鋁液鏡面之間的垂直距離為極間距，一般在 40mm左右。極間距(spaee between the eleetrodes)電解槽中垂直且平行放置的相鄰二同名電極的中心距離，又叫同極距。極間距是電解槽設計和電解作業中需予考慮和控制的技術參數。

基本介紹

• 中文名：極間距
• 外文名：space between the electrodes
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 別稱：同極距
• 長度：40mm左右

極間距對鋁合金微弧氧化的影響

微弧氧化技術又稱電漿氧化或陽極火花沉積，是在普通陽極氧化的基礎上發展起來的一種表面處理技術。這種方法得到的膜層與基體結合力強，極大地改善了合金的耐磨、耐蝕、耐熱衝擊及絕緣性能。微弧氧化技術已經出現了很多年，許多研究者也研究了溶液成分、濃度和電流密度、時間、電壓等參數對其生長過程的影響，並且開始逐漸認識其作用機理。已有學者對極間距等進行過研究，但是，非均勻場強下極間距對微弧氧化的誘發和生長規律的研究尚不多。通過研究非均勻場強下極間距對微弧氧化的影響，分析了極間距變化對微弧氧化膜層生長區域和膜層厚度的影響，進而可以控制微弧氧化過程的反應區域，從而實現大尺寸待處理工件的分割處理，實現其表面局部或由局部至整體的微弧氧化。

極間距對電壓的影響

陽極直徑為52mm，極間距離從2mm增大到50mm。分別使用52mm和6mm直徑的圓形鋁片作為陰極，構造出均勻和非均勻的電場環境。當極間距離為2mm、陰極直徑為6m時，中心區域的電場強度可達到邊緣區域的677倍。電壓變化反映了微弧氧化的一般規律：在微弧誘發階段，電壓隨著時間的增長迅速增加，進入膜層生長階段後，電壓的增長速率逐漸減慢並趨於平穩。均勻場強下，隨著極間距離的增大，放電迴路增長，增加了陰極和陽極之間的巨觀電阻，恆流模式下，維持反應的進行需要更高的電壓。

隨著極間距離的增大，電壓先降低後升高。極間距離d=20mm 和30mm時，終止電壓最低，很長時間維持在450V左右。由此可見，非均勻場強下的微弧誘發和進行與均勻場強下的微弧氧化過程有很大區別。相同極間距下，和均勻場強下的終止電壓相比，非均勻場強下的終止電壓較高，因為非均勻場強下，極間距較小時，電場對電流的束縛作用較大，電流主要從面積較小但場強很高的中心區域通過，電流的流通阻力較大。

恆流模式下，需要更高的電壓來維持放電通道。非均勻場強下，終止電壓先降低後增加的原因是，隨著極間距的增大，電場輻射面積增大，並且趨於均勻，電流流通阻力開始減小，電壓也出現了減小的趨勢；繼續增大極間距，電場環境會越來越接近均勻的電場環境，隨著極間距離的繼續增大，放電迴路增長，增加陰極和陽極之間的巨觀電阻，恆流模式下，為了維持反應的進行，電壓開始升高。

微弧放電現象

極間距從2mm 增加到20mm，微弧誘發時間從10s增加到240s；極間距從30mm 增加到40mm，微弧誘發時間又從240 s 減小到90s。結合電壓-時間曲線，極間距為20、30mm 時的電壓也較低。首先分析微弧放電現象減弱的原因：起始階段，2 mm處微弧放電的區域較小，並且中心區域的小面積微弧放電持續時間較長，直到210s，弧斑才開始向邊緣區域擴散；極間距為10mm時，120s內，弧斑開始向外圍擴散。因而，微弧誘發時間增長的原因是極間距的增大導致電場輻射強度的減弱。其次，極間距從30mm增大到40 mm時，微弧誘發時間減短的原因可以歸納為：距離增大到一定值後，電場幾乎能均勻輻射到整個試樣表面，距離的增加只會增加溶液的電阻，會引起輸出電壓的增大。膜層開始生長後，根據楊巍等研究發現：矽酸鈉電解液中，初期厚度小於1μm 的膜層，其電化學阻抗高達28175Ω。

根據歐姆定律，在電解液和陽極構成的放電迴路中，膜層的兩端將分得較大的電壓。恆流模式下，電壓高，輸入的能量越多，微弧誘發和反應速率也會得到提高。

膜層的表面形貌和厚度

均勻場強下的膜層中心區域和邊緣區域的形貌差異不大，而且由於設定的輸出電流較小，整個膜層比較均勻，分布著少量的孔洞。非均勻場強下，樣品表面不同區域形成的表面形貌。中心區域的孔徑尺寸不均勻，而且存在較多的孔洞（3μm左右）。

這是由於膜層較厚時，重複放電，放電通道部分聚集而形成較大的孔洞。相對而言，邊緣區域較為均勻，只是分布著少量的3μm以內的孔洞。這主要是因為邊緣區域微弧誘發較晚，膜層較薄，放電通道較小。

非均勻電場強度下，在極間距10mm 以內，膜層存在一個由中心向邊緣減小的趨勢，隨著極間距的增大，電場的不均勻性減弱，反應面積擴大，厚度差開始減小；極間距為20mm 和3mm時，膜層極薄，與微弱的弧光放電現象一致，主要是表面場強趨於均勻，對電流的束縛作用減小，而且溶液電阻增加不多，反應電壓較低；極間距從30mm 到50mm 時，電場開始能夠均勻地輻射到樣品表面，膜層厚度趨於均勻，穩定在4μm左右。

為了避免渦流法測厚帶來的實驗誤差，由於黑色膜層的顯色特性，顏色的變化結合厚度分析，能更準確地顯示出膜層的反應區域和厚度分布。極間距為2mm 時，反應區域主要集中在中心，且顏色較深；極間距增加10mm時，試樣表面完全覆蓋一層陶瓷膜，但中心區域出現一個顏色較深的圓斑，說明中間位置反應較為劇烈，膜層較厚；極間距為30mm 時，試樣表面基本上為基體的顏色，膜層極薄；極間距為50mm 時，膜層顏色較均勻，說明厚度差距不大。

機理分析

非均勻場強下，微弧誘發和氧化過程中，電壓-時間曲線、放電現象、表面形貌和膜層厚度出現了不同於均勻場強下的變化規律。中心區域放電弧斑的擴散原因是：表面電場輻射不均勻。微弧氧化的誘發和進行主要受表面的絲狀電流和膜層阻值的影響。微弧氧化誘發和進行總是從電場強度較強、膜層阻值較低的地方通過。反應起始階段，表面為鋁基體，阻值相同，膜層總是從高場強的區域開始生長，形成中心高場強區域的優先反應，導致弧光的迅速出現和微區膜厚較高。隨著反應的進行，中心區域的膜層開始增厚，膜層阻值增加，相同區域絲狀電流的流通阻力增大，絲狀電流開始流向邊緣阻值較低的區域，弧斑也隨之向邊緣擴散，最終布滿整個樣品表面。這樣就出現了弧斑變大、膜厚呈梯度分布等現象。微弧氧化電壓隨著極間距的增大出現先減小後增大的原因是：極間距較小時，極間距的增大會減小中心區域高場強對電流的束縛作用，受反應面積的增大和電場束縛作用的減小，終止電壓開始降低。當極間增大到足以使樣品表面均勻分布時，繼續增大極間距只會增大迴路中溶液的阻值，使電壓升高，並增大能量消耗。

總結

1.均勻場強下，從膜層厚度和形貌可以看出，各個微區反應較均勻。在恆定外部電流輸入的情況下，極間距離的增大會增大溶液阻值，微弧誘發需要更高的電壓輸入，表面電場可以獲得更高的分壓，微弧誘發也越快，但會減小膜層的生長厚度。

2.非均勻電場強度會帶來表面膜層厚度和表面形貌的差異，中心區域的厚度較厚，表面孔隙較大；表面膜層的生長受表面電場強度分布和膜層阻值的共同作用，反應區域會不斷往電場強度減弱、膜層阻值降低的地方擴散。

3.非均勻場強下，中心區域的孔徑較大，整個樣品表面的厚度和孔徑不均勻，導致膜層的整體性能不均勻，一定程度上影響了膜層的使用。極間距的增加會減小中心區域電場強度的不均勻性，增大反應面積，減小膜層的形貌差異，提高膜層的均勻性。