当两平行电极插入电解液中，然后通过外电源在两电极之间施加一定的电压于两电极时，两电极之间的电解液中的每一点都存在一定的电压，其电压值大小介于两电极电压之间。对于金属良导体，其电阻值几乎可以忽略不计，因此可以假定良导体电极表面每一点的电势均相等。在电解液中也存在着某些具有相等电位的假想平面，其等势面形状会随着与电极的距离逐渐增大而改变，在等势面分布较密集的区域其电流密度大。等势面和电场线存在互相垂直的关系，如图1所示。良导体电极本身属于等电势面，电流通过电极某一点时必与该点所在的平面互相垂直。

图1  两平行电极板电场线和等势面关系示意图

一、阴极表面电流初次分布

在没有电极极化和其他因素干扰的情况下，由阴极与阳极相对位置差异而产生的高低电流分布称为初次电流分布。初次电流分布也称为一次电流分布，完全取决于阴阳极的距离、排列、大小、形状等，不考虑电化学极化对镀层厚度分布的影响，仅考虑几何因素如阴阳极位置及形状对镀层厚度的影响，如图2所示。几何因素主要是指镀槽的形状、阳极的形状、零件的形状及零件与阳极的相互位置、距离、挂架与接点设计、阳/阴极方位与镀槽位置等。其要素是尖端放电、边缘效应、阴阳极的距离等，它们是影响阴极表面电流分布的主要因素。例如，镀铬时往往要考虑如何装挂零件、用什么阳极及阳极的位置等，这都是为了改善电流的分布，提高其镀层均镀能力。

图2 阴阳极位置及形状对镀层厚度的影响示意图

初次电流分布是由物理因素自然形成，不容易改变。若要从几何因素角度考虑改善镀层的均镀能力，只能改变阴阳极形状及位置等电镀设备的设计，如增加阴/阳极距离、加大阳极面积、使用绝缘屏蔽物改变等电位平面、采用辅助阳极改善低电流区域的电流分布、使用辅助阴极分散高电流区域的电流分布、镀面按正方形或长方形密集上架，以降低高低电流差异等。实际上，在非对称性电镀时，如印制电路板的盲孔填铜中，要求表面铜沉积速率慢，而孔底沉积铜速率快，因此可以借助几何形状的因素通过电镀添加剂的选择性分布来调节电流密度的分布，从而达到非对称性电镀的目的。

图3 常用的电镀槽中阴阳极排列及电场线分布图

       常用的电镀槽中阴阳极排列及电场线分布如图3所示，为了说明初次电流分布的概念，可以设计一个简单的电解池来作几何因素影响的说明。

图4 电解池

       如图4所示，在电解池中将三块面积相同的矩形薄铜板作为阴极和阳极，且阳极放在两个阴极板中间。当外部接入一个直流电源提供槽电压V时，在阴阳极及电解池中将有电流通过。当电流通过电镀槽时，所受阻力主要包括：金属电极电阻R电极(与电解液电阻相比可忽略不计)、电镀液电阻R液、电化学极化和浓差极化电阻电液(电化学反应过程和扩散过程引起，电化学极化+扩散极化=R极化),为了说明初次电流分布的影响，这里不考虑电化学极化和浓差极化的影响。在图4中，流过阴极的总电流I总=槽电压(V)/总电阻，为了研究初次电流分布，选择电化学极化和浓差极化的电阻R≈0的镀液，同时考虑到金属电阻率远远低于溶液电阻，且忽略金属/溶液接触电阻，因此，可以获得R总电阻≈R电解液。在电镀电流回路中，从阳极表面到阴极表面这段电解液形成的欧姆电阻，其电阻值计算公式为

       式中，ρ为电解液的电阻率，Ω·cm;L为阴阳极间的距离长度，cm;A为远、近阴阳极的截面积，cm²。此时在阴极上远部位与近部位上的电流分别为I近与I远，阴、阳极不同距离下的电流为：I=槽电压(V)/R,阴阳极两段的槽电压无关阴阳极距离远近且可以认为槽电压数值相等，因此，初次电流分布跟溶液电阻有关：

       因阴阳极的截面积相等(A远=A近),电解液的电阻率可以认为近似相等(ρ远=ρ近)因此，初次电流分布跟阴阳极间的距离成反比：

初次电流分布只表示由电极几何因素所决定的溶液电阻的影响，但在实际电镀时，电化学极化产生的极化电阻会改变电流的初次分布，所以初次电流分布适合于极化很小的镀液，没有普遍意义。因此可以获得如下结论：当阴极极化不存在时，近阴极部位与远阴极部位上的电流密度与它们和阳极的距离成反比，因此，使阳极和零件各处的距离相等，这样就可以获得均匀分布的电流。但是，应当指出，在阳极与零件距离相等时，并非所有电流分布就是均匀的，如上所述，存在边缘效应，即平面零件电镀时，往往边缘电流密度大于中间部位的电流密度。通常来说在阴极的边缘和尖端电场线比较集中，也就是在边缘、棱角和尖端处，电流密度较大，这种现象称为边缘效应或尖端效应。电镀实践证明，只有阳极和阴极平行，电极与电解液高度一致时，电场线才互相平行并垂直于电极表面，此时电流在阴极表面分布较均匀，如图5所示。

图5 电场线分布

       在电镀过程中，电镀液的导电自由空间是普遍存在的，它的存在使得电场线在阴阳极间穿行的空间扩大，镀件尖角处的电场线易于集中，不能均匀分布，易造成工件尖角处镀层厚度增大。因此，采用绝缘体可以将导电自由空间堵住，达到电场线均匀分布，从而获得均匀的镀层。根据这一原理，电镀实践中我们常采用绝缘挡板来屏蔽导电自由空间，从而获得均匀分布的镀层，如图6所示。在连续电镀槽中，以镀铜槽为例，阳极是由许多磷铜球放置于钛篮中构成的，那么水平方向阳极排布是密一点好还是稀一点好?对于长件电镀(如钢管镀锌),生产中如图7中三种阳极排布。采用图7(a)的阳极分布时，水平方向阳极总长度过长，工件左右两头的电场线过于集中、紧密，电流密度过大，两头不仅镀层厚，且很易烧焦。采用图7(b)的排布，阳极水平方向两头均短于工件长度(短10～15cm),则电场线分布较均匀。图7(c)排布则阳极过少、过稀，电场线分布很不均匀，离阳极近的一段电场线密集，电流密度较大，镀层光亮性好，两阳极间隔处对应的工件部分则可能镀不上。原则上，在阳极面积允许的情况下，阳极越密集，则电场线分布越均匀，电镀效果越好。

图6 绝缘挡板改善电场线均匀分布图

图7  水平方向的阳极布置图

       那么,是不是只有使用绝缘体来堵住导电自由空间才能达到电场线均匀分布的目的呢?实际上，在电镀过程中，也常借助导体来改善镀层的分布，如电镀过程中常用的辅助阴极方法，可以消除边缘效应，如图8所示，辅助阴极可以使原来在边缘和尖端集中的电场线大部分转移分布到辅助阴极上面，与采用非金属绝缘材料将部分液体导电自由空间堵住一样，还可以采用辅助导体来转移阴极尖端处或边缘处密集的电场线，从而使得零件电流分布均匀。

图8  采用辅助阴极改善电场线分布示意图

       从前面的阴阳极距离同电流强度分布的关系推理过程可知，阴阳极之间的几何距离相等时有助于实现镀层的均匀性分布，例如，日常我们见到的远射灯的抛物反光面，其内部具有良好的反光聚焦功能，通常需要使得其反光镀层厚度保持均匀性以达到光亮反光效果，若采用平板作为阳极，由于被镀覆工件为半球状物体，其阴极深凹部位离阳极的距离L远与阴极边缘和阳极板距离L近相差较大，在阴阳极电势差为定值情况下，距离较长的深凹部位的溶液电阻较大，导致其电流值较小。若采用仿形阳极来使得阴、阳极之间的距离相等，也就是采用与反射镜内部曲线接近的“象形阳极”(图9),有利于电流在反射镜所有表面上均匀分布。

利用初次电流分布跟阴阳极间的距离成反比：

图9 平板阳极与仿形阳极示意图

可以通过图10所述方法消除或减少镀层不均匀分布的现象。

图10 平板阳极与仿形阳极改善均镀示意图

二、阴极表面电流二次分布

在实际电镀中，由于受电镀溶液组成和工艺规范的影响，当电流通过电极时，电极不可避免地都要发生极化。这时，阴极表面上各个部位的电流分布就不仅受到几何因素的影响，还受到电化学因素的影响。这种电流分布通常称为二次电流分布。以图4所示电解池来作阴极极化因素影响的说明。为了研究二次电流分布，本节选择阴极极化电阻R极化和电解液电板化阻R电解液，同时考虑到金属电阻率远远低于溶液电阻。因此，可以获得R总电阻≈R电解液+R极化，所以，二次电流分布跟溶液电阻和极化电阻有关，根据阴、阳极两段的槽电压无关阴阳极距离远近可以认为槽电压数值相等，且阴阳极截面积相等，当电流通过如图4所示装置时，可以认为槽电压只有一个，因此，

式中，Φa为阳极电极电位;ΦK近、ΦK远分别为近、远阴极的电极电位。整理后可获得

因阴阳极的截面积相等(A远=A近),电解液的电阻率可以认为近似相等(ρ远=ρ近)令

单位面积上电流强度之比为

此式即为二次电流分布的表达式，当不存在阴极极化时，△Φ=0,此外二次电流分布表达式为初次电流分布表达式：

      只要有阴极极化存在，的值总要小于△L/L近,从二次电流分布式可以看出，阴极极化度越大，或电解液的电阻越小，或L近长度越大及远近阴阳极距离差越小，电流分布也就越均匀，即电流强度之比趋近于1,因此可以获得结论为：二次电流分布总要比初次电流分布更均匀些。

实际上，电镀过程中电流分布受其他众多因素的影响，在加入导电盐、提高主盐浓度或改变温度、搅拌或振动后，电流分布情况也会随之发生改变。二次电流分布主要是受活化过电位和浓度过电位的影响。因此，可通过改善电荷传递与质量传递来改善二次电流分布，使得实际的电流分布较一次电流分布更趋向于均匀。在电镀体系中，质量传递的影响因素有主盐浓度、阴极电流密度、搅拌情形、槽液温度等。影响电荷传递的因素有电镀添加剂、络合剂及电镀基材特性等。二次电流密度分布受电镀液电阻和阴极极化电阻共同的影响，因此，阴极极化作用的存在使得二次电流分布倾向于减少一次电流分布不均匀的现象

       总而言之，电镀层阴极表面电流的初次电流分布由电极几何形态主导，是镀层不均的先天因素；二次电流分布受电化学极化调控，可有效优化电流均匀度。生产中结合结构改造与工艺调整，把控两类电流分布规律，就能有效改善镀层质量，提升电镀均镀效果。

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