汽車輪轂鉻鍍層的可見(jiàn)光吸收光譜特性研究

邸帥，李紅蓮，秦成程，李佳懿，方立德

（1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；2.河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，保定 071002）

0 引言

輪轂是汽車部件的重要部分，在支撐汽車全部重量的同時(shí)還起著轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等關(guān)鍵作用。光腐蝕、電化學(xué)腐蝕等環(huán)境問(wèn)題對(duì)汽車輪轂的危害日益嚴(yán)重，通常采用外加鍍層的方式對(duì)輪轂進(jìn)行保護(hù)，鉻鍍層因其具有很高的硬度，很強(qiáng)的耐磨性以及抗腐蝕性，而被廣泛用作汽車的防護(hù)鍍層，通過(guò)光譜測(cè)量技術(shù)對(duì)輪轂鉻鍍層的透光率進(jìn)行研究，進(jìn)而找到符合鉻鍍層防腐蝕要求、經(jīng)濟(jì)、美觀的鉻鍍層，從而推動(dòng)汽車工業(yè)向節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展[1～3]。

近年來(lái)，光譜測(cè)量技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。M.A.Davies等人基于光譜學(xué)開(kāi)展了對(duì)衍射光柵光譜儀的研究[4]。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)溫志渝等人使用NIR光譜儀開(kāi)發(fā)了基于MOEMS光柵的光學(xué)系統(tǒng)[5]。劉云娥、王華等人對(duì)鍍層工藝、致密性以及孔隙率等性能均進(jìn)行了研究[6,7]。李晨等人開(kāi)展了對(duì)三價(jià)鉻電沉積制備鉻鍍層工藝及理論的研究[8]。長(zhǎng)春理工大學(xué)郭沫然等人利用光譜測(cè)量技術(shù)在食品安全領(lǐng)域進(jìn)行了研究[9]。但目前利用光譜測(cè)量技術(shù)對(duì)鉻鍍層的研究卻鮮有報(bào)道，因此本文采用建立的吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車輪轂鉻鍍層的光譜特性進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)具備對(duì)吸收光譜信息快速檢測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理的功能。在實(shí)驗(yàn)中完成了輪轂鉻鍍層厚度的測(cè)量以及對(duì)測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定與分析[10,11]，將鍍層厚度和時(shí)間進(jìn)行了線性擬合，擬合程度較高。通過(guò)對(duì)鉻鍍層透光率的測(cè)量，驗(yàn)證了鍍層厚度與時(shí)間的相關(guān)性，最終測(cè)定符合汽車輪轂鉻鍍層實(shí)際生產(chǎn)的最佳鍍層時(shí)間與鍍層厚度。

1 理論基礎(chǔ)

當(dāng)光源照射并穿透被測(cè)物體時(shí)，吸光物質(zhì)與光子相互作用并產(chǎn)生吸收現(xiàn)象，從而導(dǎo)致透射光強(qiáng)減弱[12]。光強(qiáng)的衰減程度與物質(zhì)的濃度、種類及相互作用的光程長(zhǎng)度有關(guān)，這種光強(qiáng)的衰減規(guī)律稱為朗伯-比爾定律[13]。朗伯·比爾（Lambert-Beer）定律是吸收光譜法的理論基礎(chǔ)，其物理式為:

其中L是吸光物質(zhì)的厚度；I0(λ)和I(λ)就是分別為入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)；σ(λ)為吸收截面積，即物體吸收能力的強(qiáng)弱，其表示介質(zhì)中用于吸收光子的面積，面積越大，入射光強(qiáng)的吸收作用也就越好；c表示吸光物質(zhì)的濃度[14]。

光通過(guò)被測(cè)介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)會(huì)對(duì)光產(chǎn)生吸收作用。吸收作用顯示在透射光各波段的變化上，同入射光光譜相對(duì)比，可得透光率為：

為確保測(cè)量的靈敏度，必須選擇合理的測(cè)量波長(zhǎng)范圍?，F(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)一般將波長(zhǎng)測(cè)量范圍選擇在紫外可見(jiàn)光區(qū)域。考慮到在200nm以下的短波段和650nm以上長(zhǎng)波段鉻的氧化物對(duì)光的吸收作用較小，不同厚度的鉻鍍層在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收變化不明顯，無(wú)法測(cè)定實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)以及有效吸收光譜，因此本文中光譜檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量波長(zhǎng)范圍為200～650nm，對(duì)鉻鍍層可見(jiàn)光波段390～650nm的吸收光譜進(jìn)行測(cè)量。

2 鉻鍍層透光率的研究

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)由微型光柵光譜儀、UV點(diǎn)光源照射機(jī)、收發(fā)光纖束以及PC機(jī)所構(gòu)成。由光源發(fā)出的激光經(jīng)輸入光纖傳輸，并準(zhǔn)直通過(guò)被測(cè)輪轂鉻鍍層，再經(jīng)輸出光纖接收導(dǎo)入光譜儀，光譜儀通過(guò)USB接口與PC機(jī)相連，同時(shí)PC機(jī)為光譜儀供電。光譜儀將接收到的光信號(hào)進(jìn)行分光檢測(cè)處理，在PC機(jī)端利用SpectraSuite等光譜檢測(cè)軟件對(duì)鉻鍍層的光譜信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

實(shí)驗(yàn)中選擇光譜測(cè)量范圍為200～653nm的UV點(diǎn)光源照射機(jī)作為系統(tǒng)光源。分光系統(tǒng)是整個(gè)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的核心，分光光譜系統(tǒng)會(huì)收到透射的復(fù)合光并將其按照波長(zhǎng)展開(kāi)為相應(yīng)的單色光，單色光的有效帶寬越小，分光的靈敏度就越高[15]。本系統(tǒng)采用的是紫外可見(jiàn)微型光纖光譜儀，具有較高的分辨率，其明顯優(yōu)勢(shì)在于能夠保證光譜分辨率的條件下可以有效提升光通量進(jìn)而提高色散度。內(nèi)置CCD光譜檢測(cè)器具有極低的噪聲和暗背景信號(hào)以及很高的靈敏度和響應(yīng)度，適合本課題對(duì)鉻鍍層可見(jiàn)光波段吸收光譜的測(cè)量。光纖選擇了與光譜儀以及UV點(diǎn)光源照射機(jī)相適配的標(biāo)準(zhǔn)光纖。該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效降低隊(duì)鉻鍍層吸收光譜檢測(cè)的系統(tǒng)誤差，確保測(cè)量數(shù)據(jù)精確有效，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 鍍層厚度的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

被測(cè)鉻鍍層為氣相沉積鍍膜，選取鍍層時(shí)間分別為120s、200s和300s的鉻鍍層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量采用的是刻線讀數(shù)類立式光學(xué)計(jì)。

通過(guò)比較測(cè)量法測(cè)得無(wú)鉻空白膜的厚度為24μ m，將三種鍍層樣品在其表面橫向、徑向分別均勻取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以有效減小測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)誤差。測(cè)量所得數(shù)據(jù)如表1所示。以各鍍層厚度測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為約定真值，經(jīng)計(jì)算得到三種鉻鍍層扣除空白膜的厚度依次為0.2μ m、3.4μ m、7.5μ m。

表1 鉻鍍層厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)(μm)

將鍍層時(shí)間與鍍層厚度作線性擬合，擬合結(jié)果如圖1所示，擬合系數(shù)r=0.9999，線性擬合程度較高，鍍層厚度L與時(shí)間t的函數(shù)表達(dá)式：

表明了兩者具有很好的線性相關(guān)性，鍍層厚度隨鍍層時(shí)間的增加呈線性變化，具有良好的正相關(guān)性。

圖1 鍍層時(shí)間與厚度的線性擬合圖

2.2.2 測(cè)量不確定度的評(píng)定

對(duì)扣除空白膜的鉻鍍層厚度進(jìn)行不確定度的評(píng)定，可證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而可驗(yàn)證鉻鍍層表面的平滑度。根據(jù)單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差公式進(jìn)行計(jì)算：

鍍層時(shí)間為120s、200s、300s的鉻鍍層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.51μ m、1.16μ m、0.50μ m。分析可知，鍍層工作時(shí)間越長(zhǎng)，其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小。根據(jù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差公式:

得到由測(cè)量重復(fù)性引起的三種鉻鍍層厚度的不確定度分別為0.48μ m、0.37μ m、0.16μ m，結(jié)果表明鉻鍍層的平滑性較好，測(cè)量結(jié)果可靠性較高。隨輪轂鍍層時(shí)間的增加，鍍層厚度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度逐漸減小，平滑性逐漸升高。

2.2.3 鍍層吸收光譜的檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)前設(shè)定好采集參數(shù)，保持積分時(shí)間、平滑度等參數(shù)相同，將樣本進(jìn)行20次掃描，再取平均值，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)多次光源光譜預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)理想積分時(shí)間為20ms。

測(cè)定鍍層時(shí)間為120s、180s、200s、300s鉻鍍層的吸收光譜以及暗光譜數(shù)據(jù)。得到t=180s鉻鍍層波峰處的吸收光強(qiáng)I180（628.20）=23948，代入朗伯-比爾定律公式(1)得L180=2.11μm，與將t代入式(3)所得的厚度L180=2.62μm相差較小，線性擬合結(jié)果得以驗(yàn)證。誤差可能源于測(cè)量時(shí)儀器噪聲和線性擬合誤差等因素的影響。光源光譜以及鍍層時(shí)間為120s、200s、300s鉻鍍層的吸收光譜如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鉻鍍層對(duì)光源光譜存在吸收作用且隨鍍層時(shí)間的增加，其吸收作用增強(qiáng)，透光率變低。三種鍍層的光強(qiáng)在紫外線波段吸光度變化較小，而在可見(jiàn)光波段變化較為明顯，且在有波峰處的透射光強(qiáng)變化量逐漸變小。

圖2 光譜圖

為提高信噪比，在相同參數(shù)下檢測(cè)鉻鍍層的透光率，設(shè)置剔除暗噪聲和暗光譜的影響，將光譜數(shù)據(jù)平滑濾波處理后，得到三種鍍層樣品的透光率隨波長(zhǎng)的分布圖。如圖3所示。

圖3 透光率隨波長(zhǎng)的分布圖

將各鍍層光譜波峰處的透光率與鍍層厚度作線性擬合，擬合系數(shù)為0.9772。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到鍍層時(shí)間為120s、150s、200s、250s、300s的鍍層透光率如下表2所示。由表可知，透光率在鍍層時(shí)間150～200s范圍內(nèi)變化了4.1%，滿足該行業(yè)對(duì)鉻鍍層透光率變化低于5%的實(shí)際要求。其他區(qū)間內(nèi)透光率變化量較小且持續(xù)減小，鍍層時(shí)間的增加會(huì)造成鍍層實(shí)際生產(chǎn)效率的降低以及生產(chǎn)成本的加重，因此滿足透光率需求的最佳鍍層時(shí)間為150～200s，通過(guò)式(3)得到鍍層厚度為1.40μ m～3.43μ m。

表2 鍍層時(shí)間與透光率

3 結(jié)論

本文采用光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)汽車輪轂鉻鍍層可見(jiàn)光波段（390～650nm）的吸收光譜進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)鉻鍍層厚度的測(cè)定，完成了鉻鍍層厚度測(cè)量不確定度的分析與評(píng)定，得出了鍍層平滑性隨鍍層時(shí)間的變化趨勢(shì)。將鍍層時(shí)間與厚度作線性擬合，擬合系數(shù)為0.9999，擬合程度較高。通過(guò)對(duì)鉻鍍層透光率的測(cè)量，對(duì)鍍層厚度與時(shí)間的擬合結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了鍍層時(shí)間與透光率的關(guān)系，基于汽車輪轂行業(yè)對(duì)鉻鍍層透光率變化的要求，確定符合鉻鍍層實(shí)際生產(chǎn)需求的最佳鍍層時(shí)間為150～200s，鍍層厚度為1.40～3.43μm。結(jié)果表明該技術(shù)用于汽車輪轂鉻鍍層在可見(jiàn)光波段吸收光譜測(cè)量的可行性，對(duì)該行業(yè)鍍層厚度的選擇具有重要參考意義。