一分钱是由什么制成的？尽管它们似乎是坚固的铜币，但这些天它们实际上并不包含太多铜。取而代之的是，美国造币厂仅将有价值的金属贴面应用于较便宜的金属，从而节省了钱。您是否曾经考虑过实现这一目标的制造过程？让我们找出答案。
电镀
美国的一分钱是由锌制成的，其表面上有20微米厚的铜层。当我们制作硬币时，必须控制其制造过程。如果几分钱是不同的重量，大小或颜色，那么人们将对货币没有信心。铸造的货币自然变化越大，伪造就越容易。与人相比，自动售货机和硬币计数器的质量控制需求甚至更高，因为既依赖硬币的重量和形状来正常运行。
电镀是一种常见的制造方法，涉及将一层金属涂在另一种金属上。这利用了我们正在镀电力的金属物体的事实。镀板的对象称为基质。
用硫酸铜板浴的电镀电池的示意图。金属基材表示为“我”。电路中电子的传输通过溶液中离子的转移平衡。
要了解其工作原理，让我们首先考虑一个简单的化学反应。
在学校里，您可能遇到了一个实验，将铁放入铜盐溶液中。在溶液中，金属铁自发以带正电的亚铁（铁）离子的形式自发溶解，将电子留在后面。同时，带正电荷的铜（铜）离子获取了这些电子，并将其沉积为固体铜。在任何金属表面上，金属与溶液中的离子和离子与固体金属的恒定化学反应。
我们可以将其写为平衡的化学反应：
Cu2 +（aq） + Fe（S）→Cu（s） + Fe2 +（aq）
其中（水溶液）表示溶于水中的物种，（S）代表一种固体材料。上标“ 2+”代表物种上的费用。
当电镀时，使用电源来将电压施加到基板的正面电极，称为阳极。这样做是为了操纵该反应的平衡。如果底物变为负极化，则阴极，将有利于离子对金属的反应。换句话说，电压驱动一个反应，使离子获得电子成为固体金属。由于电子必须来自导电底物，并且不能仅仅跳入溶液中，因此铜沉积在阴极表面上。
我们可以将其写为：
Cu2 +（aq） + 2e-（m）→cu（s）
两个电子来自金属的地方。
沉积的金属量与传递的电流成正比。这是因为对于沉积金属的每个原子，都将精确数量的电子吸引到阴极以平衡离子电荷。在这种情况下，我们知道这个数字是铜离子的两个。因此，通过测量经过的电流，我们可以在发生一定数量的电镀时停止沉积，即当存放一定质量的固体铜时。
当前分布
我们仍然不知道在哪里但是，这种电镀发生了。电子在整个导体中分发自己，因此无法从测量的电流中分辨出电镀是均匀的，还是仅发生在底物的一部分中。
在这种情况下，我们可以转向物理建模来预测当前分布表面上的铜。我的同事梅兰妮（Melanie）最近在博客上讲述了不同的理论类型当前分布。
例如，我们发现，由于固体物体的锋利边缘和角落更容易暴露于电镀浴中，因此这里的沉积速率会更大（您可以在沟槽模型中的铜沉积，它可以在我们的模型画廊中找到）。离子必须进一步或与阳极之间的其他离子以及基板上远处或远处的其他离子进行竞争。这提高了沿这些路径的溶液的电阻，并降低了沉积的驱动力。
控制表面沉积
许多选项可用于控制表面沉积。要查看有关如何建模的插图，请看一些用电沉积模块制造的型号。
在超级填充，精心定位催化剂，以选择性地加速凹形区域的反应速率，从而平衡整个物体上的电流分布。
另一种方法是在阴极表面和不同的机制中添加化学物种，以抑制沉积，即与催化剂相反，并迫使电流密度变得更加均匀。
另一条途径是在电镀浴中使用强制流，以便将电镀溶液专门引导到某些区域。在comsol多物理学中，能够一起解决流体流和表面电化学很方便。这喷泉流动对旋转晶圆模型电沉积的影响提供了一个很好的例子。
所以……我们如何赚一分钱？
当然，美国造币厂不会告诉我们他们是如何做到的，否则我们都在家制造钱。涉及的技术实际上非常昂贵。赚一分钱的花费比一分钱还要多美国政府为公民处理的安全货币支付的价格。大部分费用是由于原金属的价格上涨。美国造币厂将锌用于大部分便士，而加拿大和英国便士是由低碳钢制成的。两种方法都将其相对面值和生产成本远高于其原始金属的价值。这证明，我们对电镀的了解越多，我们的替代选择越越来越大！
设置电沉积模型
我在comsol多物理学查看当前流向圆盘形底物的流动。我发现获得统一的电镀并不容易。我的细胞将1 A绘制五分钟，这足以使底物表面上的铜厚度超过20微米。但是，没有任何特别的关注，我们会在边缘获得更多的镀板：
沉积厚度与径向坐标的图，用于磁盘的电镀。
五分钟后，镀板的一分钱将在边缘比中心厚约16微米。这只是总厚度的1％，对于非专家来说，这很难说，但对于机器甚至伪造者来说肯定很明显。只能想象，如果要铺板的基板具有复杂的模式，例如小字母或亚伯拉罕·林肯的脸，这将是多么困难。
因此，事实证明，我的第一批便士没有成绩。您认为您可以做得更好吗？
世界各地的政府将始终寻找节省资金的方法。许多公司转向建模，以更好地了解所需的制造过程。他们可以选择的一种选择是使用电沉积模块预测电镀电池操作的质量和费用。
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