Anodgeometri och strömfördelning: varför katodmatchning avgör fältlivslängden

Anoden specificeras genom beläggning. Katoden får en linje i BOM. På fältet är det första som går fel oftast varken.

Strömmen fördelar sig aldrig jämnt över en titananodyta. Designen säger 200 A/m² i genomsnitt. I verkligheten kan kanter, hörn, ledarstångsgränssnitt och ytan mittemot katoden se 300 till 400 A/m². Kanteffekt kommer från elektriska fältlinjer som trängs vid gränser. När en rektangulär platta har ett förhållande mellan längd och bredd över 5:1, närmar sig kantförstärkningsfaktorn 1,6. Det betyder att mitten inte har nått designbelastning medan kanterna redan är över det.

Beläggningskemi kan inte fixa detta. Ru-Ir eller Ir-Ta, det spelar ingen roll. Vid överhettade kanter uppstår först mikrosprickor, gasbubblor stagnerar, lokal passivering sätter in. Det som avgör var åldrandet börjar är anodgeometrin och hur katoden är placerad.

Plåt mot plåt ger ett relativt stabilt fält, men kanter koncentreras ändå. Mesh-anoder sprider det effektiva området, tillåter urladdning från baksidan, sänker den faktiska strömtätheten och låter gas strömma ut genom öppningar. Avvägningen är att nätkorsningar skapar sin egen turbulens. Aktuella folksamlingar vid trådkorsningar. Svetsade värmepåverkade zoner åldras först. Rörformade eller stavanoder passar djupa brunnar och smala celler, men det finns ett resistivt spänningsfall längs längden. Kommersiellt rent titan har en resistivitet på cirka 0,47 μΩ·m, ungefär 30 gånger högre än koppar. På en lång stav är strömtätheten i den nedre änden märkbart lägre än i toppen. Flera strömmatningspunkter eller sammansatta samlingsskenor av titan-koppar blir nödvändiga.

En felaktig katod slösar bort en bra anod. Den sida av katoden som är vänd mot anoden drar mer ström. Den bortre sidan blir mindre. Skarpa hörn, grader, hängande slagg på katoden förvränger det lokala fältet. Motsvarande anodzon är överström under hela kampanjen. Vid sur kopparplätering, tillverkning av kopparfolie och elektroutvinning av ädelmetaller är katodknölar och dendriter inte enbart ett katodproblem. De återkopplar från ojämn anodfältsfördelning.

Gasutvecklingen förstärker det andra lagret. Klor- eller syrebubblor som fastnar på ytan minskar lokalt effektivt område, ökar motståndet och orsakar spänningsfluktuationer. Om nätorientering, lutningsvinkel och cirkulationshastighet inte koordineras bildas gasfilmer i toppen. Det ser ut som kort beläggningslivslängd. Det är faktiskt ett flödesfältproblem.

Start-stopp-frekvensen skriver in sig i distributionen också. Kontinuerlig drift låter lokala hotspots självbegränsa. Flera på/av-cykler per dag innebär att varje omstart ger ojämn polarisering och överpotentialspikar. Kantbeläggningsutmattning ackumuleras snabbare under cykling än under konstant full belastning.

Att läsa en ritning bör inte stanna vid "MMO titanium anod 1000×600." Frågorna är: vilken form har katoden, vad är avståndstoleransen mellan elektroderna, fluktuerar vätskenivån, var ventilerar gasen, hur många strömmatningspunkter, är substratnätet eller plattan eller röret. Samma beläggning, samma belastning, fel geometri, fältlivslängd kan skilja sig med en faktor två.

Anoden är inte en statisk del. Det är ett lastbärande element i ett elektriskt fält, ett flödesfält och ett termiskt fält. Fel form förstärker systemets svaghet. Rätt form låter beläggningen åldras på det sätt som labbet förutspått.