Modelling and simulation of the electrodeposition process on open-porous media

Abstract

As materials and energy are finite resources, it is essential to use these raw materials efficiently. Hybrid foams coated with electrodeposited nanocrystalline nickel master this challenge of resource efficiency perfectly by combining excellent mechanical properties with low weight. Due to mass transport limitations, an inhomogeneous coating thickness distribution and, thus, inhomogeneous material characteristics appear during the electrodeposition process. With the aim of achieving a homogeneous coating thickness, this electrodeposition process on hybrid foams is examined in this thesis. For this purpose, the process is abstracted and divided into the mass transport processes dominating the ion movement, their influence on each other, as well as their influence on the local ion concentration in a two-sided coupled model. A geometry study is carried out to simplify the complex foam structure to model the back-coupling. An explicit FD code is developed for the one-sided coupled model, assuming a linear relationship between the ion concentration and the coating homogeneity, and the results of the simulations are compared with the results from the experiments. The experimental results are discussed using a Design of Experiment, and the influence of various parameters on the results in the simulation is investigated.

Durch die Endlichkeit von Materialien und Energie ist eine ressourceneffiziente Nutzung dieser Rohstoffe unabdingbar. Mittels Elektrodeposition mit Nickel nanokristallin beschichtete Hybridschäume meistern durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht diese Herausforderung der Ressourcenschonung. Bedingt durch Stofftransportlimitierungen kommt es während des Beschichtungsprozesses zu einer inhomogenen Schichtdickenverteilung und somit zu einem inhomogenen Materialverhalten. Zur Vermeidung von inhomogenen Beschichtungsdicken wird in dieser Arbeit dieser Elektrodepositionsprozess auf Schäumen untersucht. Dazu wird der Prozess abstrahiert. Die dominierenden Stofftransportprozesse der Ionenbewegung, deren Einfluss aufeinander sowie ihr Einfluss auf die Ionenkonzentration wurden in einem beidseitig gekoppelten Modell diskutiert. Für die Modellierung des Einflusses der Beschichtungsdicke auf den Prozess erfolgt eine Geometriestudie zur Vereinfachung der komplexen Schaumstruktur. Mittels eines für das einseitig gekoppelte Modell generierten expliziten FD-Codes werden die Ergebnisse aus der Simulation den Ergebnissen aus dem Experiment bezüglich der Beschichtungshomogenität gegenübergestellt. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Ergebnisse in der Simulation sowie die Unterschiede zwischen Experiment und Simulation werden mit Hilfe eines Design of Experiment untersucht.