鍍鎳光纖抗拉強(qiáng)度及其影響因素

楊 珂,李玉龍,李學(xué)文

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院江西省機(jī)器人與焊接自動化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031)

1 引 言

光纖具有傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、體型小、容易形成陣列等一系列優(yōu)點(diǎn)[1],已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空航天、石油石化、安防和電力工業(yè)等領(lǐng)域[2-5]。裸光纖主要成分是SiO2,屬于脆性材料[6],光纖細(xì)小質(zhì)脆、容易損壞,而且多數(shù)情況下其工作環(huán)境比較惡劣,所以要對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)。對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)的研究已有很多,Carla Lupi[7]等分別使用銅、鋅和鉛等對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù),研究了其低溫傳感特性。Vivekanand Mishra[8]等分別使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、銅、鋁和銦等材料對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)的同時提高了光纖傳感器的靈敏度。郭明金[9]等使用化學(xué)鍍鎳后電鍍金的方法對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)。上述材料雖然可以對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù),但都存在各自的缺點(diǎn)。聚合物不耐高溫,銅鍍層、鋁鍍層和鋅鍍層性能不穩(wěn)定易氧化,金價格昂貴,鉛和銦對環(huán)境有害。鎳價格相對較低、耐高溫、耐腐蝕、鍍層性能穩(wěn)定并且對環(huán)境影響較小,被應(yīng)用于光纖傳感器的金屬化保護(hù)。在工程應(yīng)用中光纖傳感器多處于復(fù)雜的多向應(yīng)力狀態(tài),鍍鎳作為對光纖傳感器進(jìn)行保護(hù)的重要方式,研究鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度以及影響因素具有重要意義。目前研究人員普遍以硫酸鎳為主鹽在光纖傳感器表面鍍鎳[10-12],以硫酸鎳為主鹽所得的鎳鍍層可以保護(hù)光纖傳感器,但鍍層表面質(zhì)量較差,內(nèi)應(yīng)力大。而采用氨基磺酸鎳為主鹽所得到的鎳鍍層結(jié)晶細(xì)致,內(nèi)應(yīng)力低且柔韌性好[13-15]。盡管以氨基磺酸鎳為主鹽進(jìn)行電鍍的工藝已經(jīng)在電子工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但是還未見到以其為主鹽在光纖表面電鍍鎳的研究。

鑒于此,本文分別以硫酸鎳和氨基磺酸鎳為主鹽在化學(xué)鍍鎳后的光纖表面電鍍鎳。研究了兩種電鍍鎳工藝所得鍍鎳光纖的表面質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度；與FiberGuide所售的鍍金光纖進(jìn)行對比,選取效果更佳的電鍍鎳工藝,從而指導(dǎo)生產(chǎn)和應(yīng)用。

2 試 驗(yàn)

2.1 光纖保護(hù)層去除

市售的光纖通常使用丙烯酸酯或聚酰亞胺等聚合物作為保護(hù)層,在化學(xué)鍍鎳之前要將保護(hù)層去除。常用的去光纖保護(hù)層方法是用光纖鉗將保護(hù)層機(jī)械剝除,但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在機(jī)械剝除保護(hù)層后的光纖表面施鍍的化學(xué)鍍鎳層不光滑,經(jīng)過分析得出其原因可能是光纖鉗對裸光纖表面造成了損傷。

為了確定光纖鉗是否會對光纖表面造成損傷,本文采用兩種方法去除光纖保護(hù)層。方法一是用光纖鉗機(jī)械剝除保護(hù)層,方法二是用丙酮浸泡去除保護(hù)層。分別檢測兩種去除保護(hù)層方法所得裸光纖抗拉強(qiáng)度,并用掃描電鏡觀察其表面形貌。所用光纖為康寧SMF-28e+標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,裸光纖直徑約為120 μm,丙酮浸泡時間為20 min。

2.2 光纖鍍鎳

光纖的主要成分是SiO2,抗彎折強(qiáng)度很低,在工程應(yīng)用中易損壞,表面金屬化是對其進(jìn)行保護(hù)的重要方式。本研究采用化學(xué)鍍鎳結(jié)合電鍍鎳的方法對其進(jìn)行保護(hù),化學(xué)鍍鎳的工藝流程為:(1)預(yù)處理,去保護(hù)層→除油污→敏化→活化；(2)化學(xué)鍍。具體的預(yù)處理和化學(xué)鍍過程在之前的研究中已有詳細(xì)闡述[16]。

為了獲得表面光滑致密、內(nèi)應(yīng)力更小、抗拉強(qiáng)度更高的電鍍鎳光纖,本文采用兩種配方在光纖表面電鍍鎳,比較鍍層質(zhì)量和電鍍后光纖的抗拉強(qiáng)度,選取效果更好的電鍍鎳工藝。配方一為:280g/L NiSO4·7H2O、50 g/LNiCl2·6H2O、35 g/LH3BO3和1 g/LC12H25SO4Na。配方二為:350 g/L Ni(NH2SO3)2·4H2O、20 g/LH3BO3和1 g/L潤濕劑。

電鍍時使用如圖1所示金屬化光纖電鍍試驗(yàn)裝置,將配置好的電鍍液盛于燒杯中,按照示意圖固定試驗(yàn)材料,陽極是純鎳,陰極是待鍍光纖。電鍍過程在室溫(25 ℃)下進(jìn)行,光纖浸入鍍液部分的長度約為150 mm。電鍍鎳工藝為pH:4.0～4.5,施鍍時間:6 h,電流密度:2～3 A/m2,鍍層厚度:11～13 μm。

圖1 金屬化光纖表面電鍍裝置示意圖

2.3 光纖拉伸試驗(yàn)

抗拉強(qiáng)度是光纖重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一,研究光纖的抗拉強(qiáng)度對于預(yù)防光纖損傷和破壞具有重要意義。本試驗(yàn)采用如圖2所示的光纖拉伸試驗(yàn)裝置對不同去保護(hù)層方法所得的裸光纖、化學(xué)鍍鎳光纖、兩種電鍍工藝所得的鍍鎳光纖和鍍金光纖的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測。共檢測43根光纖,去除無效數(shù)據(jù),取30根光纖的檢測結(jié)果進(jìn)行分析,分別編號#1～#30。在試驗(yàn)之前,先用粘結(jié)劑將光纖粘貼在鋁片上,然后將兩塊鋁片分別夾在拉伸機(jī)的上下夾頭。其中拉伸光纖標(biāo)距為100 mm,試驗(yàn)溫度為室溫(25 ℃),試驗(yàn)過程中以3 mm/min的速率均勻加載,直至光纖斷裂,記錄光纖斷裂時的加載狀態(tài)。

圖2 光纖拉伸試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 裸光纖的抗拉強(qiáng)度

通過光纖拉伸試驗(yàn)檢測兩種不同去保護(hù)層方法所得裸光纖的斷裂抗力情況如圖3所示。方法一所得裸光纖的平均斷裂抗力為10.89 N,平均抗拉強(qiáng)度為963.38 MPa。方法二所得裸光纖的平均斷裂抗力為14.93 N,平均抗拉強(qiáng)度為1320.77 MPa。由此可知,光纖鉗機(jī)械剝除保護(hù)層的方法會使裸光纖的抗拉強(qiáng)度降低。

為了進(jìn)一步分析裸光纖抗拉強(qiáng)度降低的原因,采用掃描電鏡(SEM)觀察方法一和方法二所得裸光纖的表面形貌,結(jié)果分別如圖4(a)和(b)所示。由圖可以清晰的看到方法二所得裸光纖表面幾乎無損傷,方法一在剝除保護(hù)層時會造成光纖表面凹凸不平并產(chǎn)生深度不一的刮痕。這就能解釋之前試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的在方法一所得裸光纖表面施鍍的化學(xué)鍍鎳層不光滑的現(xiàn)象,由于化學(xué)鍍是金屬離子在光纖表面層層堆積的過程,當(dāng)裸光纖表面凹凸不平時,所得到的化學(xué)鍍鎳層就比較粗糙。另外這些凹坑和刮痕的存在會使光纖極易由于應(yīng)力集中而斷裂,從而造成光纖的抗拉強(qiáng)度降低。

圖3 不同去保護(hù)層方法所得裸光纖的斷裂抗力

圖4 不同去保護(hù)層方法所得裸光纖表面的掃描電鏡照片

3.2 化學(xué)鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度

由于光纖鉗會對光纖表面造成損傷,在后續(xù)試驗(yàn)中均采用丙酮浸泡去除光纖保護(hù)層,然后在裸光纖表面化學(xué)鍍鎳。圖5(a)和(b)分別是用體視顯微鏡觀察到的化學(xué)鍍鎳光纖的外觀圖和化學(xué)鍍鎳光纖的斷裂抗力圖。由圖可以看到化學(xué)鍍鎳層光滑致密,均勻連續(xù),與光纖結(jié)合良好,可以在其基礎(chǔ)上電鍍鎳?；瘜W(xué)鍍鎳后光纖的直徑約為123 μm,其平均斷裂抗力為8.42 N,平均抗拉強(qiáng)度為708.98 MPa。值得注意的是,化學(xué)鍍鎳后光纖的抗拉強(qiáng)度低于裸光纖的抗拉強(qiáng)度。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是光纖中含有硼和磷等雜質(zhì),在化學(xué)鍍鎳之前要將裸光纖置于強(qiáng)酸環(huán)境中進(jìn)行敏化和活化,在這種強(qiáng)酸環(huán)境中會發(fā)生硼和磷等雜質(zhì)的溶解,進(jìn)而可能造成光纖腐蝕[17]。由于腐蝕后的光纖基體脆性增大,故化學(xué)鍍鎳后光纖的抗拉強(qiáng)度降低。

圖5 化學(xué)鍍鎳光纖的外觀和斷裂抗力

3.3 電鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度

為了選取效果更佳的電鍍鎳工藝,本文采用了兩種電鍍鎳工藝在化學(xué)鍍鎳后的光纖表面電鍍鎳,比較了所得鍍鎳光纖的表面質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度。圖6(a)為采用配方一得到的19#電鍍鎳光纖外觀圖,圖6(b)為采用配方二所得到的20#電鍍鎳光纖外觀圖。由圖6可知采用配方二所得到的鎳鍍層更加光滑致密,且具有明亮的金屬光澤。圖7(a)和(b)分別是使用配方一和配方二所得的電鍍鎳光纖斷裂抗力圖,使用配方一所得電鍍鎳光纖的平均斷裂抗力為8.67 N,平均抗拉強(qiáng)度約為511.11 MPa。使用配方二所得電鍍鎳光纖的平均斷裂抗力為14.88 N,平均抗拉強(qiáng)度約為877.20 MPa,比使用配方一所得電鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度提高了41.73%。由上述可知,以氨基磺酸鎳為主鹽所得的電鍍鎳層更加光滑致密、具有明亮的金屬光澤,所得的鍍鎳光纖具有更高的抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)橐园被撬徭嚍橹鼷}所得鎳鍍層結(jié)晶細(xì)致,內(nèi)應(yīng)力小[18]。

圖6 不同配方所得電鍍鎳光纖外觀

圖7 不同配方所得電鍍鎳光纖斷裂抗力

3.4 鍍金光纖的抗拉強(qiáng)度

為了評判電鍍鎳的效果,本文將電鍍鎳光纖的表面質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度與FiberGuide所售鍍金光纖進(jìn)行了對比。鍍金光纖的直徑為150～154 μm,其外觀圖和斷裂抗力圖分別如圖8(a)和(b)所示。從圖8中可以看到金鍍層表面光滑致密,以氨基磺酸鎳為主鹽所得鍍鎳光纖的表面質(zhì)量與鍍金光纖的表面質(zhì)量相當(dāng)。鍍金光纖的平均斷裂抗力為13.04 N,平均抗拉強(qiáng)度約為718.99 MPa,略低于以氨基磺酸鎳為主鹽所得電鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度。由此可知,以氨基磺酸鎳為主鹽所得電鍍鎳光纖表面光滑致密,具有較高的抗拉強(qiáng)度。

圖8 鍍金光纖的外觀和斷裂抗力

4 結(jié) 論

本文分別以硫酸鎳和氨基磺酸鎳為主鹽在化學(xué)鍍鎳后的光纖表面電鍍鎳,研究了兩種電鍍鎳工藝所得鍍鎳光纖的表面質(zhì)量和抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖的摻雜成分、去保護(hù)層方法和電鍍鎳工藝等因素都會影響光纖的抗拉強(qiáng)度。光纖中的雜質(zhì)元素可能會使光纖基體在化學(xué)鍍的強(qiáng)酸環(huán)境中腐蝕,光纖鉗在剝除保護(hù)層時會對光纖表面造成損傷,這都會使光纖抗拉強(qiáng)度降低。以氨基磺酸鎳為主鹽所得電鍍鎳光纖表面比以硫酸鎳為主鹽所得電鍍鎳光纖表面更加光滑致密,其抗拉強(qiáng)度(877.20 MPa)比以硫酸鎳為主鹽所得電鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度(511.11 MPa)提高41.73%。氨基磺酸鎳電鍍鎳光纖綜合性能優(yōu)異,可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1] LIU Tiegen,WANG Shuang,JIANG Junfeng,et al.Advances in optical fiber sensing technology for aviation and aerospace application[J].Chinese Journal of Science Instrument,2014,8(35):1681-1692.(in Chinese)

劉鐵根,王雙,江俊峰,等.航空航天光纖傳感技術(shù)進(jìn)展[J].儀器儀表學(xué)報,2014,8(35):1681-1692.

[2] HOU Junfang,PEI Li,LI Zhuoxuan,et al.Development and application of optical fiber sensing technology[J].Electro-Optic Technology Application,2012,1(27):49-53.(in Chinese)

侯俊芳,裴麗,李卓軒.光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2012,1(27):49-53.

[3] Byoungho Lee.Review of the present status of optical fiber sensors[J].Optical Fiber Technology,2003,9:57-97.

[4] LI Yulong,WEN Changjin,ZHAO Cheng.Research status of the sensitivity enhancing and encapsulation technology &devices of the fiber Bragg grating[J].Laser & Infrared,2013,43(11):1203-1211.(in chinese)

李玉龍,溫昌金,趙誠.光纖光柵增敏封裝工藝及裝置研究現(xiàn)狀[J].激光與紅外,2013,43(11):1203-1211.

[5] LIANG Wenbin,LIN Yuchi,ZHAO Meirong,et al.Applications of fiber Bragg grating in ship structural monitoring[J].Laser & Infrared,2012,42(6):682-685.(in Chinese)

梁文彬,林玉池,趙美蓉,等.光纖光柵在船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].激光與紅外,2012,42(6):682-685.

[6] ZHANG Yinliang,TU Yun,TU Shantung.Interfacial bonding strength of multilayer-coated optical fiber[J].Material for Mechanical Engineering,2016,3(40):6-14.(in Chinese)

張銀亮,徒蕓,涂善東.多層金屬涂覆光纖的界面結(jié)合強(qiáng)度[J].機(jī)械工程材料,2016,3(40):6-14.

[7] Carla Lupi,FerdinadoFelli,Andrea Brotzu,et al.Improving FBG sensitivity at Cryogenic temperature by metal coating[J].IEEE Sensor Journal,2008,7(8):1299-1304.

[8] Vivekanand Mishra,MukeshLohar,AngelaAmphawan.Improvement in temperature sensitivity of FBG by coating of different materials[J].Optic,2016,127:825-828.

[9] GUO Mingjin,JIANG Desheng.Low temperature properties of fiber bragg grating temperature sensor with plating gold[J].Chinese Journal of low temperature physics,2006,2(28):138-141.(in Chinese)

郭明金,姜德生.鍍金光纖光柵溫度傳感器的低溫特性[J].低溫物理學(xué)報,2006,2(28):138-141.

[10] Stefan Sandlin,TuomoKinnunen,JaakkoR?m?,et al.A simple method for metal re-coating of optical fiber Bragg gratings[J].Surface & Coatings Technology,2006,201(6):3601-3605.

[11] RAO Chunfang,ZHANG Hua,FENG Yan.Heattreatment on fiber bragg gratings with ni coating for elevated temperature sensor[J].Optic and Precision Engineering,2011,19(9):2006-2013.(in Chinese)

饒春芳,張華,馮艷.鎳金屬保護(hù)光纖布拉格光柵的熱處理及高溫傳感[J].光學(xué) 精密工程,2011,19(9):2006-2013.

[12] WANG Chuang,ZHU Feng,REN Linet al.Robust high temperature sensor probe based on a Ni-coated Fiber Bragg Grating[J].Chemical Research in Chinese Universities,2013,29(6):1199-1202.

[13] LI Chunhua,WANG Lei,YANG Fenget al.Study on microstructure and sulfide in electroformed nickel using sulfamate electrolyte[J].Materials review,2010,9(24):61-64.(in Chinese)

李春華,王雷,楊峰.氨基磺酸鹽溶液中電鑄鎳的微觀組織及其夾雜物[J].材料導(dǎo)報,2010,9(24):61-64.

[14] LI Yanwei,YAO Jinhuang,YANG Zhelong.Mechanisms for formation of internalstress in electroplated nickel coating from sulphamate bath and factors affecting the internal stress[J].Materials Protection,2008,41(10):34-36.(in Chinese)

李延偉,姚金環(huán),楊哲龍.氨基磺酸鎳鍍鎳過程中內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生及變化的因素與機(jī)理[J].材料保護(hù),2008,41(10):34-36.

[15] W J Lee,S J Lee,B J Kim.Relief of residual stress of electrodeposited nickel by amine as additive in sulfamateelectrolyte[J].Materials Letters,2017,198:54-56.

[16] Yulong Li,Zhang Hua,Feng Yanet al.Metal coating of fiber Bragg grating and the temperaturesensing characterafter metallization[J].Optic Fiber Technology,2009,15:391-397.

[17] Hong Li,PuGu,James Watson et al.Acid corrosion resistance and mechanism of E-glass fibers:boron factor[J].Journal of Materials Science,2013,48(8):3075-3087.

[18] QIAN Jiangang,LI Pengrui,LI Haiting.Influence of bath composition on microstructure andmechanical properties of electroformed nickel[J].Journal of aeronautical materials,2014,2(34):11-16.(in Chinese)

錢建剛,李彭瑞,李海婷.溶液組分對電鑄鎳組織和力學(xué)性能的影響[J].航空材料學(xué)報,2014,2(34):11-16.