Numerical modelling of Ni/PU hybrid foams coating process

Abstract

Ni/PU hybrid metal foams are open-cell polyurethane foams that are coated with a nanocrystalline nickel layer via the electrodeposition process. This coating process is often challenging due to the complex geometries and mass transport limitations which lead to a heterogeneous coating thickness. To optimize the coating controlling parameters, a two-sided coupled model based on the mixture theory is developed. This model considers the multi-phase nature of the process and the main transport mechanisms, i.e. diffusion, convection, and migration, and a sink term responsible for the deposition of ions on the struts. In this model, concentration, pressure, and electric field are used as the primary variables and calculated using a system of three coupled equations. A back-coupling technique provides the gradual parameter changes, such as porosity and permeability during the process. The change in flux velocity is considered by calculating pressure from an additional Darcy equation. Moreover, by calculation of local electrical current using the Butler-Volmer equation, the deposition thickness is estimated from Faraday’s law. The comparison of numerical and experimental results demonstrates the strong ability of the proposed model to describe the experimentally observed effects.

Ni/PU-Hybridmetallschäume sind offenzellige Polyurethanschäume, die im Elektroabscheidungsverfahren mit einer nanokristallinen Nickelschicht beschichtet werden. Dieser Beschichtungsprozess ist wegen der komplexen Geometrien und Massentransportbeschränkungen, die zu einer heterogenen Beschichtungsdicke führen, oft eine Herausforderung. Zur Optimierung der Beschichtungssteuerungsparameter wird ein zweiseitig gekoppeltes Modell basierend auf der Mischungstheorie entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt die Mehrphasennatur des Prozesses und die Haupttransportmechanismen, d. h. Diffusion, Konvektion und Migration, sowie einen Senkenterm, der für die Abscheidung von Ionen auf den Streben verantwortlich ist. In diesem Modell werden Konzentration, Druck und elektrisches Feld als Primärvariablen verwendet und mithilfe eines Systems aus drei gekoppelten Gleichungen berechnet. Eine Rückkopplungstechnik ermöglicht die schrittweise Änderung von Parametern wie Porosität und Permeabilität während des Prozesses. Die Änderung der Flussgeschwindigkeit wird durch die Berechnung des Drucks aus einer zusätzlichen Darcy-Gleichung berücksichtigt. Darüber hinaus wird durch die Berechnung des lokalen elektrischen Stroms mithilfe der Butler Volmer-Gleichung die Beschichtungsdicke anhand des Faradayschen Gesetzes geschätzt. Der Vergleich von numerischen und experimentellen Ergebnissen zeigt, dass das vorgeschlagene Modell die experimentell beobachteten Effekte gut beschreiben kann.