許玲麗 宋寶成
摘要:旋流器廣泛應用于礦物浮選,其工作性能很大程度上取決于氣泡發(fā)生器鎢探針的質量。現(xiàn)利用“點對面”方法對傳統(tǒng)的電極布置方式進行了改進,并采用一種閉環(huán)控制電路,實現(xiàn)電解電壓達到設定值時即停止研磨,以免殘余電流二次電解,提高探針品質。與傳統(tǒng)的直流制備方法比較,結果表明,采用改進方法后制備的針頭表面更加光滑,曲率更加均勻,得出了10 V直流電壓下極間距為100 mm時針尖曲率半徑和電解電壓及電解電流的關系,驗證了將電解電壓作為控制判斷依據(jù)的合理性。
關鍵詞:微探針;直流;電化學研磨;制備
0 引言
旋流器氣泡發(fā)生器通常采用電解水發(fā)泡的方式,產生的氣泡半徑Rb與電解鎢絲針尖的曲率半徑r及電解電壓U具有下列關系[1]:Rb=Kr-4/3(K為定常系數(shù)),即在針尖曲率半徑一定的情況下,可以通過控制電解電壓來實現(xiàn)可控尺寸的微氣泡的生成。因此,保證探針品質的穩(wěn)定性顯得尤為重要。
目前,鎢絲探針主要采用電化學研磨方法制備,受參與電流的影響較大[2-3]。為此,本文對傳統(tǒng)制備方法的電極布置方式進行了改進,并提出了一種閉環(huán)控制電路,以消除傳統(tǒng)直流電化學研磨法中殘余電流的不利影響。
1 傳統(tǒng)直流電化學研磨法
傳統(tǒng)的直流電化學研磨法原理如圖1所示。在裝有KOH或NaOH溶液的電解池中,陽極為鎢絲,陰極為圍在陽極外部的不銹鋼片圓筒或不銹鋼絲圈。
當施加直流電時,即發(fā)生電解反應:
隨著反應的進行,陽極的鎢絲逐漸變細,直至在液面下方某處斷裂脫落形成針尖。該方法簡單易行,制備效率高,但在鎢絲被研磨斷開后,若不及時離開電解池,則會因為殘余電流對針尖進行二次電解導致質量惡化,且電解時間短,反應速度快,對于產生高品質的探針可控性差。
2 直流電化學研磨法的優(yōu)化
電極采用“點對面”的布置方式如圖2所示,陰極為圓形銅板,浸沒置于電解槽底部,陽極為鎢絲。由于浸沒在KOH溶液中的鎢絲不同點與陰極銅板距離不同,其間電解液電阻也不同,故而電解研磨的速率不同,從而在研磨一段時間后形成針尖[4]。通過調節(jié)信號發(fā)生器控制方波的頻率和脈寬,可以調節(jié)鎢絲研磨速度,從而獲得不同幾何尺寸的微探針。注入電解液前需對電路進行調零,探針制備過程中通過跟隨電路采集電解電壓,經(jīng)過A/D轉換器轉換為數(shù)字信號輸入單片機控制器??刂破鲗㈦娊怆妷褐蹬c設定值進行比較,控制開關的開閉,從而保證研磨完成后不存在二次電解。
3 實驗結果與討論
分別利用傳統(tǒng)直流電化學研磨方法和改進后的方法對不同直徑的鎢絲進行研磨,如圖3、圖4所示。直流電壓均設置為10 V,閉環(huán)控制比較電壓為1.2 V,極間距為100 mm??梢园l(fā)現(xiàn),采用改進方法制備的針尖輪廓更加清晰,表面較為光滑,對稱性較好。雖然直徑較大的鎢絲研磨效果相對較差,但相對傳統(tǒng)方法也有明顯改善。
圖5、圖6為直徑為0.5 mm的鎢絲采用“點對面”法研磨過程中電解電壓和電解電流的變化情況。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn),曲率半徑-電解電壓曲線的線性情況較好,質量穩(wěn)定性較強;曲率半徑-電解電流曲線在電解電流較小時線性較好,但斜率大,分布集中,不易控制。所以,采用電解電壓作為控制對象更為合理。
對其進行多項式擬合,可以得到曲率半徑r關于電解電壓u0的關系式:
4 結論
(1)本文采用的具有閉環(huán)控制的“點對面”法,對改善鎢探針的傳統(tǒng)直流電化學研磨制備方法具有明顯效果,針尖質量顯著提高。
(2)該優(yōu)化方法在電解電壓設定值適中時,具有良好的可控性和質量穩(wěn)定性。
(3)本文為鎢探針的直流電化學研磨制備提供了一種有效可行的方法,為鎢探針的實際應用及工業(yè)化生產提供了一定參考。
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收稿日期:2020-06-05
作者簡介:許玲麗(1986—),女,江蘇徐州人,碩士,工程師,研究方向:流體機械。