电沉积修复裂缝中离子迁移的Debye层效应

摘要

电场作用下电解质离子在裂缝中的迁移规律直接关系到混凝土裂缝电沉积修复的效果.经典的PoissonNernst-Planck(PNP)方程假定电解质离子为理想的质点模型,忽略了离子和裂缝的尺寸效应,难以揭示电解质离子在极端受限条件下纳米裂缝中的迁移规律.本文以双电层厚度为物理基础,建立了电沉积修复中离子迁移的几何模型,采用无量纲Debye数来描述离子浓度和裂缝尺寸等对离子迁移规律的影响;从自由能出发,考虑了离子和裂缝的尺寸效应,推导了修正的PNP方程,并通过有限元仿真获得了修正PNP方程的数值解.结果表明,当Debye数较小时,离子的迁移可以由经典的PNP方程来描述,离子浓度满足电中性关系,电势呈现出线性分布;随着Debye数的进一步增加,经典PNP方程的数值解会出现超高非物理离子浓度O(10^(2)),而基于修正后的PNP方程,可以获得裂缝中更为合理的阳离子饱和浓度值O(10).本研究将为电沉积修复过程的离子迁移分析以及可修复最小裂缝尺寸评定提供理论指导.