本發(fā)明涉及電解法精煉金屬，具體為一種酸性刻蝕液用鈦陰極板制備裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
1、在電解法精煉金屬的技術(shù)領(lǐng)域中，酸性刻蝕液的應(yīng)用十分廣泛，在酸性刻蝕液電解過程中，常用的陰極板材料存在諸多問題，傳統(tǒng)的陰極板材料，存在明顯的局限性，且傳統(tǒng)的制備工藝往往難以保證陰極板表面的平整度和光潔度，這會(huì)導(dǎo)致電解過程中電流分布不均勻，局部電流密度過大或過小，從而影響電解的均勻性和產(chǎn)品質(zhì)量。
2、現(xiàn)有的鈦陰極板制備裝置存在的缺陷是：
3、1、專利文件us20080248430a1公開了制備納米碳材料場發(fā)射陰極板的方法，但是上述文件中的隔膜僅具備基本的隔離功能，不能像梯度隔膜一樣與陡上升沿脈沖直流電源協(xié)同作用，形成貫通孔道氧化層，難以降低陰極極化電位、提高金屬沉積速率，存在無法有效提升陰極電流效率的技術(shù)問題；
4、2、專利文件us3847603a公開了制備用于堿性蓄電池的燒結(jié)鐵陰極板的方法，但是上述文件中的燒結(jié)鐵陰極板的方法，存在制備基板表面粗化效果不一致、不穩(wěn)定，影響后續(xù)制備工藝的技術(shù)問題；
5、3、專利文件us09194051b2公開了用于制備用于電解處理的永久陰極的母板的方法和裝置，但是上述文件中的裝置存在靶材分布方式為平面分布或簡單的線性分布，無法保證各靶材濺射均勻性的技術(shù)問題；
6、4、專利文件cn107287625a公開了一種夾邊條及應(yīng)用其的陰極板和該陰極板的制備方法，但是上述文件中的裝置中各部件之間的間距固定，存在間距無法調(diào)試范圍，無法根據(jù)不同沉積需求靈活調(diào)整的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種酸性刻蝕液用鈦陰極板制備裝置及其使用方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的技術(shù)問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種酸性刻蝕液用鈦陰極板制備裝置，包括加工箱體、鈦基板預(yù)處理單元、陽極氧化處理模塊、復(fù)合導(dǎo)電層沉積系統(tǒng)、后處理單元和中央控制系統(tǒng)，所述加工箱體的內(nèi)部設(shè)置有傳動(dòng)組件和夾持組件，所述傳動(dòng)組件用于夾持和調(diào)節(jié)鈦基板在鈦基板預(yù)處理單元、陽極氧化處理模塊、復(fù)合導(dǎo)電層沉積系統(tǒng)和后處理單元間按照預(yù)設(shè)路徑轉(zhuǎn)移；
3、所述鈦基板預(yù)處理單元包括超聲波清洗槽和表面粗化處理機(jī)構(gòu)，所述陽極氧化處理模塊包括電解槽、脈沖直流電源和電解液循環(huán)系統(tǒng)，所述電解槽內(nèi)部設(shè)置有陰極區(qū)和陽極區(qū)，所述陰極區(qū)的內(nèi)部設(shè)置有鈦基材陰極板固定架，所述陽極區(qū)的內(nèi)部設(shè)置有鉑銥合金陽極板，所述陰極區(qū)和陽極區(qū)之間設(shè)置有納米多孔陶瓷隔膜，所述納米多孔陶瓷隔膜的孔徑分布為入口50-80nm、中間層100-150nm、出口層180-200nm，孔隙率為40-60%，且表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性處理，接觸角≤15°，所述脈沖直流電源輸出脈寬為0.5-2ms，頻率為500-1500hz的脈沖信號(hào)，脈沖上升沿斜率≥10^6a/s；
4、所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括溫度控制器、ph監(jiān)測儀和含氟離子交換膜，用于維持電解液溫度30-40℃，ph值1.0-3.0，所述電解液組成為鹽酸4-5mol/l、硫酸15-25mol/l、十二烷基磺酸鈉0.8-1.5g/l；
5、所述復(fù)合導(dǎo)電層沉積系統(tǒng)集成有磁控濺射靶材組和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室，用于通過磁控濺射靶材組沉積鉑納米顆粒層，再經(jīng)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室生成氮摻雜碳包覆層，所述后處理單元包括熱處理爐和電化學(xué)鈍化槽，鈍化液為含0.1-0.3mol/l檸檬酸的乙二醇溶液，所述中央控制系統(tǒng)用于通過工業(yè)總線分別連接各單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器，進(jìn)行工藝參數(shù)閉環(huán)控制，獲取的鈦陰極板表面氧化層孔徑為50-200nm、孔隙率30-50%。
6、優(yōu)選的，所述表面粗化處理機(jī)構(gòu)包括噴砂單元、酸蝕單元、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和紅外干燥模塊，噴砂單元采用0.6-0.8mpa壓縮空氣驅(qū)動(dòng)粒徑80-120μm的碳化硅磨料，酸蝕單元配備氫氟酸（5-15vol%）和硝酸（10-30vol%）混合液循環(huán)系統(tǒng)，酸液溫度維持25-40℃，處理時(shí)間為30-180s，紅外干燥模塊設(shè)置于噴砂單元與酸蝕單元之間，干燥溫度80-120℃、時(shí)間為30-60s；
7、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)集成視覺定位系統(tǒng)，視覺定位系統(tǒng)包括高分辨率ccd相機(jī)和圖像處理模塊，當(dāng)檢測到表面sa值偏差超過±0.3μm時(shí)，通過pid算法動(dòng)態(tài)調(diào)整噴砂單元的氣壓參數(shù)，調(diào)節(jié)速率為5-10kpa/s。
8、優(yōu)選的，所述磁控濺射靶材組包括第一鈀靶且純度≥99.95%，第二銥靶且純度≥99.9%，第三釕靶且純度≥99.9%，各靶材呈120°環(huán)形分布，并配備獨(dú)立射頻電源，磁控濺射靶材組的工作氣壓為0.3-0.6pa，且第一鈀靶功率密度為2.5-3.5w/cm2，第二銥靶功率密度為1.8-2.8w/cm2，第三釕靶功率密度為1.2-2.0w/cm2，基板偏壓為-50v至-150v可調(diào)。
9、優(yōu)選的，所述等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室包括雙層等離子體約束環(huán)和氣體分配器，氣體分配器包括四路獨(dú)立氣路，四路獨(dú)立氣路設(shè)有超聲霧化混合器，霧化粒徑≤5μm，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室的間距可調(diào)試范圍為5-20mm，四路獨(dú)立氣路，用于分別通入乙烯（10-30sccm）、氮?dú)猓?0-100sccm）、氬氣（200-400sccm）和四甲基硅烷（5-15sccm），等離子體功率密度為0.8-1.5w/cm2，沉積壓力為80-120pa。
10、優(yōu)選的，所述中央控制系統(tǒng)包括機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，機(jī)器學(xué)習(xí)模塊通過融合電解槽內(nèi)的電壓波動(dòng)特征譜與等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室內(nèi)的等離子體發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，訓(xùn)練具有注意力機(jī)制的雙向lstm模型，實(shí)時(shí)優(yōu)化陽極氧化階段的脈沖占空比（35-65%）和復(fù)合沉積階段的靶材功率配比。
11、優(yōu)選的，所述混合液循環(huán)系統(tǒng)配備在線電導(dǎo)率監(jiān)測儀和自動(dòng)補(bǔ)液單元，當(dāng)電導(dǎo)率變化超過±5%時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)加氫氟酸或硝酸溶液，通過模糊pid控制器實(shí)現(xiàn)酸濃度波動(dòng)≤±0.3vol%。
12、優(yōu)選的，所述電解槽的陰極區(qū)與陽極區(qū)間設(shè)置的納米多孔陶瓷隔膜的硅烷偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，改性處理后的表面羥基密度≤5?groups/nm2。
13、優(yōu)選的，所述傳動(dòng)組件包括一組皮帶輸送機(jī)和若干個(gè)機(jī)械臂，且皮帶輸送機(jī)分別安裝于加工箱體正面和背面，且機(jī)械臂的底座固定于加工箱體的內(nèi)壁。
14、優(yōu)選的，該酸性刻蝕液用鈦陰極板制備裝置的工作步驟如下：
15、s1、鈦基板被送入加工箱體內(nèi)的鈦基板預(yù)處理單元，在超聲波清洗槽中進(jìn)行初步清潔后，通過表面粗化處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行噴砂和酸蝕處理，以增強(qiáng)表面粗糙度，提高后續(xù)處理的附著力；
16、s2、預(yù)處理后的鈦基板被傳動(dòng)組件轉(zhuǎn)移至陽極氧化處理模塊，在電解槽中進(jìn)行陽極氧化處理，電解槽內(nèi)設(shè)置陰極區(qū)和陽極區(qū)，通過納米多孔陶瓷隔膜分隔，確保電解過程的穩(wěn)定性和效率，脈沖直流電源輸出特定參數(shù)的脈沖信號(hào)，促進(jìn)氧化層的均勻生長，同時(shí)，電解液循環(huán)系統(tǒng)維持電解液的溫度和ph值在最佳范圍內(nèi)，以保證氧化層的質(zhì)量；
17、s3、鈦基板進(jìn)入復(fù)合導(dǎo)電層沉積系統(tǒng)，通過磁控濺射靶材組沉積鉑納米顆粒層，再經(jīng)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積室生成氮摻雜碳包覆層，形成具有優(yōu)異導(dǎo)電性和耐腐蝕性的復(fù)合導(dǎo)電層；
18、s4、鈦基板被送入后處理單元進(jìn)行熱處理和電化學(xué)鈍化處理，進(jìn)一步提高其性能，熱處理爐用于消除內(nèi)應(yīng)力，提高材料的穩(wěn)定性，電化學(xué)鈍化槽則利用含檸檬酸的乙二醇溶液進(jìn)行鈍化處理，增強(qiáng)表面的耐腐蝕性；
19、s5、整個(gè)制備過程中，中央控制系統(tǒng)通過工業(yè)總線連接各單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的閉環(huán)控制，確保制備出的鈦陰極板表面氧化層孔徑、孔隙率關(guān)鍵指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。
20、優(yōu)選的，在所述s1中還包括如下步驟：
21、s11、噴砂單元采用特定壓力和粒徑的碳化硅磨料，而酸蝕單元?jiǎng)t利用氫氟酸和硝酸的混合液進(jìn)行精確腐蝕，三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)集成視覺定位系統(tǒng)，確保處理過程的均勻性和一致性。
22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
23、1.本發(fā)明通過梯度孔徑納米多孔陶瓷隔膜與陡上升沿脈沖直流電源的協(xié)同作用，能夠在電解法金屬生產(chǎn)或精煉中實(shí)現(xiàn)了顯著優(yōu)化，其梯度隔膜結(jié)構(gòu)通過入口層攔截金屬雜質(zhì)、中間層加速h+傳輸、出口層抑制陽極析氧副反應(yīng)，達(dá)到提高陰極電流效率的功能，配合復(fù)合電解液及陡峭脈沖調(diào)控，形成的貫通孔道氧化層，能夠降低陰極極化電位降低，并提高金屬沉積速率，沉積的鉑納米顆粒層和氮摻雜碳包覆層，具有提高使用壽命的效果，中央控制系統(tǒng)基于工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)全流程閉環(huán)控制，最終制得鈦陰極板表面氧化層孔徑50-200nm、孔隙率30-50%，達(dá)到提升酸性刻蝕液中的電化學(xué)性能與使用壽命；
24、2.本發(fā)明通過噴砂單元與酸蝕單元的協(xié)同作用，結(jié)合紅外干燥模塊的設(shè)置，在鈦基板表面構(gòu)建均勻的粗糙結(jié)構(gòu)，有利于提升氧化層的結(jié)合強(qiáng)度，再集成三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高分辨率ccd相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測鈦基板表面形貌，當(dāng)sa值偏差超過±0.3μm時(shí)，通過pid算法動(dòng)態(tài)調(diào)整噴砂單元的氣壓參數(shù)，調(diào)節(jié)速率為?5-10kpa/s，實(shí)現(xiàn)了對噴砂粗化過程的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，確保鈦基板表面粗化效果的一致性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提升后續(xù)制備工藝的質(zhì)量和可靠性；
25、3.本發(fā)明通過磁控濺射靶材組采用高純度的靶材，并且各靶材呈120°環(huán)形分布并配備獨(dú)立射頻電源，這種布局和獨(dú)立供電方式可確保各靶材濺射的均勻性和獨(dú)立性，工作氣壓控制在0.3-0.6pa，并為第一鈀靶、第二銥靶、第三釕靶分別設(shè)置適宜的功率密度范圍（2.5-3.5w/cm2、1.8-2.8w/cm2、1.2-2.0w/cm2），基板偏壓可在-50v至-150v可調(diào)，能夠精確控制濺射過程，使濺射出的金屬粒子均勻沉積在基板上，形成高質(zhì)量的鉑納米顆粒層；
26、4.本發(fā)明通過雙層等離子體約束環(huán)，可有效約束等離子體，提高沉積的均勻性和穩(wěn)定性，四路獨(dú)立氣路設(shè)置超聲霧化混合器，霧化粒徑≤5μm，能使氣體充分混合均勻，保證反應(yīng)氣體的均勻性，間距可調(diào)試范圍為5-20mm，可根據(jù)不同沉積需求靈活調(diào)整，優(yōu)化沉積效果，氣體分配器通過四路獨(dú)立氣路分別精確通入乙烯、氮?dú)?、氬氣和四甲基硅烷，等離子體功率密度為0.8-1.5w/cm2，沉積壓力為80-120pa，有助于生成高質(zhì)量的氮摻雜碳包覆層，進(jìn)而提升鈦陰極板的性能。