金屬涂層光纖制備方法與性能研究進(jìn)展

趙勁凱，汪 洪，賈金升，孫 勇，孔 壯，劉 波，楊亮亮，王一葦

(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司,綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)

0 引 言

光導(dǎo)纖維(以下簡(jiǎn)稱“光纖”)是利用光的全反射原理來(lái)傳輸信號(hào)的光學(xué)器件。自1966年“光纖之父”高錕提出光纖可以用于通信傳輸以來(lái)，光纖及光纖技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展[1]，目前在通信工程[2]、航空航天[3]、石油化工[4]、醫(yī)療[5]、橋梁檢測(cè)[6]和電力傳輸[7]等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和涂覆層三部分構(gòu)成，光纖結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中纖芯折射率大于包層折射率，纖芯和包層共同組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。涂覆層是光纖的保護(hù)層，能增強(qiáng)光纖的機(jī)械性能和抗彎曲性能[8]。目前主流的涂覆層主要有丙烯酸樹(shù)脂涂層、耐熱硅膠涂層和聚酰亞胺涂層，其中丙烯酸樹(shù)脂涂層光纖應(yīng)用最為廣泛[9]，工作溫度為-40～85 ℃；耐熱硅膠涂層光纖[10]可在200 ℃的空氣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用，同時(shí)在高溫下衰減附加值以及涂層失重率均較低；聚酰亞胺涂層光纖[9]可在300 ℃的空氣氛圍下長(zhǎng)期使用，在300～400 ℃下可短期使用，同時(shí)在高壓及真空的條件下也能保持使用。但在更高的使用溫度與更嚴(yán)苛的使用環(huán)境中，如海洋環(huán)境中的溫度傳感[11]，核工業(yè)中進(jìn)行熱核反應(yīng)堆的等離子體診斷[12]，有機(jī)物涂層就不再適用,因此需要耐更高溫度的涂層。金屬及合金通常有較高的熔點(diǎn)，可以制備金屬涂層光纖來(lái)滿足應(yīng)用需求。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖

金屬涂層光纖應(yīng)用領(lǐng)域包括：冶金過(guò)程中高溫環(huán)境下的溫度探測(cè)，高溫油氣井中的傳感探測(cè)，低溫環(huán)境下的溫度探測(cè)，高真空或高壓環(huán)境下的使用，航空航天和船舶領(lǐng)域[13]以及發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器和燃料成分檢測(cè)器[14]等。

1 金屬涂層光纖的制備方法

金屬涂層光纖制備方法分為化學(xué)鍍法、電鍍法、濺射法、蒸鍍法和熔融金屬法，下文將分別進(jìn)行介紹。

1.1 化學(xué)鍍法

化學(xué)鍍法是利用還原劑將溶液中的金屬離子還原，從而在工件表面沉積金屬鍍層的一種鍍膜方法[15-16]。由于光纖材料的特殊性，想要在光纖表面得到性能優(yōu)良的金屬鍍層，需要對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)處理。光纖的預(yù)處理過(guò)程包括去保護(hù)層、除油、粗化、敏化和活化，這些預(yù)處理過(guò)程能改善裸光纖表面吸附金屬的能力，為其表面進(jìn)一步金屬化做準(zhǔn)備[17]。預(yù)處理是化學(xué)鍍工藝中的關(guān)鍵步驟，化學(xué)鍍鍍層質(zhì)量的好壞很大程度取決于預(yù)處理準(zhǔn)備是否充分。

1.1.1 去保護(hù)層

光纖的涂覆層通常為丙烯酸樹(shù)脂、耐熱硅膠和聚酰亞胺等，在化學(xué)鍍前需要將其去除。去除方法可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法是使用剝線鉗或手工刀具對(duì)涂覆層進(jìn)行剝除，該方法通常難以完全剝除涂覆層，光纖表面容易留存肉眼難以觀察到的涂覆層殘余物，且光纖本身脆弱，容易折斷。張文禹[18]使用多次剝除和超聲波水洗結(jié)合的方法得到表面均勻光亮的裸纖?；瘜W(xué)方法是使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和丙酮等化學(xué)試劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)去除涂覆層。使用化學(xué)方法可以有效去除光纖涂覆層，去除后光纖表面平整，不會(huì)對(duì)光纖表面造成損傷。

1.1.2 粗化

為了增強(qiáng)光纖基體和金屬鍍層的結(jié)合力，需要使用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿對(duì)光纖表面進(jìn)行腐蝕，使光纖表面具有一定的粗糙度。未粗化或粗化時(shí)間過(guò)短[19-20]容易導(dǎo)致鍍層與光纖表面結(jié)合力差；粗化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[21]容易導(dǎo)致光纖的損耗增大，并且處理不當(dāng)容易導(dǎo)致光纖斷裂,因此，要選擇合適的粗化時(shí)間，以獲得結(jié)合力強(qiáng)、形貌良好的鍍層。粗化后，光纖表面完整的硅氧四面體結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，導(dǎo)致光纖表面與水接觸時(shí)容易形成水膜，因此研究者[18-19]提出可以使用熱處理去除水膜以增強(qiáng)鍍層的結(jié)合力和完整性。

1.1.3 敏化和活化

敏化處理是使具有一定吸附能力的制件表面吸附一些易氧化的物質(zhì)(敏化劑)，而后在活化處理時(shí)，吸附的敏化劑被氧化，活化劑被還原成催化晶核，吸附在光纖表面，為化學(xué)鍍提供必要的條件?；瘜W(xué)鍍法通常使用氯化亞錫鹽酸溶液作為敏化劑，使粗化后的光纖表面吸附一層有還原性的二價(jià)錫離子，以便進(jìn)行活化處理。光纖化學(xué)鍍鎳通常選用鈀離子活化法，活化的目的是將鈀離子還原成鈀，并呈粒狀微粒沉積在光纖表面，從而為金屬在光纖表面沉積提供形核結(jié)晶中心，使化學(xué)鍍鎳順利進(jìn)行。曠戈等[22]比較了鈀活化、銀活化和鈀銀活化對(duì)化學(xué)鍍效果的影響，認(rèn)為鈀銀活化效果最佳，獲得的鎳鍍層完整光滑，成品率高，但氯化鈀溶液價(jià)格昂貴，使得化學(xué)鍍成本提高，不利于化學(xué)鍍法的推廣。戴興[23]采用成本較低的硝酸銀與三乙醇胺混合溶液作為活化劑，也獲得了高質(zhì)量的化學(xué)鍍鍍層。

早期關(guān)于化學(xué)鍍法的研究主要集中在工藝優(yōu)化。2003年，李小甫等[24]成功在光纖表面實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍鎳，分析了鈀活化對(duì)于光纖表面化學(xué)鍍鎳的重要性，并提出可以對(duì)粗化、活化后的光纖進(jìn)行熱處理以提高可鍍性。2005年，李小甫等[25]又研究了光纖表面鍍鎳磷合金的工藝，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了鍍液組成及最佳工藝，認(rèn)為次亞磷酸鈉是影響鎳磷合金鍍層附著力的主要因素，最終確定了以硫酸鎳、次磷酸鈉、硼酸和丙酸為主要成分的化學(xué)鍍鍍液配方，此鍍液穩(wěn)定性良好，獲得的鍍層光亮度高。目前化學(xué)鍍法可應(yīng)用的金屬種類(lèi)很多，但鎳仍是使用最多的金屬[19]。化學(xué)鍍鎳的特點(diǎn)包括[21]：鍍層均勻、硬度高、耐磨耐蝕性能好、可焊性好和具有電磁屏蔽性能等。

化學(xué)鍍法是一種方便的鍍膜方法，但化學(xué)反應(yīng)速率通常不易調(diào)控，導(dǎo)致制備的薄膜通常精度較低，因此對(duì)于厚度要求精確控制的器件，該方法不可行[23]。化學(xué)鍍前光纖的預(yù)處理工藝復(fù)雜，去除保護(hù)層容易導(dǎo)致裸露的光纖折斷，增加了試驗(yàn)難度。使用粗化工藝對(duì)光纖表面進(jìn)行腐蝕又容易導(dǎo)致光纖力學(xué)性能的降低。因此，化學(xué)鍍法難以實(shí)現(xiàn)光纖表面長(zhǎng)距離連續(xù)金屬涂覆。即使存在上述缺點(diǎn)，化學(xué)鍍法依舊是應(yīng)用最為廣泛的光纖表面金屬涂層制備方法。

1.2 電鍍法

電鍍是利用電解原理在某些固體表面沉積一薄層金屬或合金的過(guò)程。電鍍是以含有鍍層金屬離子的鹽溶液為電鍍液，以待鍍導(dǎo)電基體為陰極，基于電解的作用，讓鍍液當(dāng)中的金屬陽(yáng)離子沉積在陰極表面形成鍍層的表面加工處理技術(shù)[26]。電鍍要求待鍍件有一定的導(dǎo)電性，因此對(duì)光纖表面進(jìn)行電鍍處理時(shí)，通常與化學(xué)鍍、磁控濺射等方法相結(jié)合。其中化學(xué)鍍結(jié)合電鍍法研究很多，即使用化學(xué)鍍法在光纖表面鍍一金屬過(guò)渡層后，再電鍍同一種或不同種金屬鍍層。

早在1998年，遲蘭州等[27]先化學(xué)鍍鎳再電鍍鎳鈷合金，最終獲得灰色半光亮的鍍層，且該鍍層具有一定的磁致伸縮性能。隨后，研究者們開(kāi)展了更多關(guān)于化學(xué)鍍結(jié)合電鍍來(lái)在光纖表面制備金屬涂層的研究。2004年，曠戈等[22]通過(guò)化學(xué)鍍鎳與電鍍金的方法成功制備鍍金光纖。2006年，衛(wèi)云鴿[28]通過(guò)化學(xué)鍍鎳結(jié)合電鍍鎳鈷在光纖表面制備了厚度為15～20 μm的電鍍鎳鈷合金層。

目前電鍍可應(yīng)用的金屬種類(lèi)很多，研究者們?cè)诠饫w表面制備了電鍍鎳、鎳鈷合金、銅、鋅和錫等金屬鍍層。其中對(duì)電鍍鎳的研究最多，研究確定的電鍍鎳鍍液的主要成分為硫酸鎳、氯化鎳、硼酸和十二烷基磺酸鈉。電鍍獲得的鍍層大部分光滑致密且缺陷較少?；瘜W(xué)鍍結(jié)合電鍍是比較成熟的金屬涂層制備工藝，制備的光纖傳感器與普通光纖傳感器相比，具有體積小、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、安裝方便、結(jié)構(gòu)牢固和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[29]。電鍍鍍層較厚，可達(dá)百微米級(jí)。但電鍍存在鍍液污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)[30]，電鍍和化學(xué)鍍產(chǎn)生的應(yīng)力容易使光纖光柵諧振譜[31]產(chǎn)生雙峰或多峰、較嚴(yán)重的譜帶展寬和峰值損耗等問(wèn)題，因此，電鍍工藝仍有改進(jìn)空間。

1.3 濺射法

濺射法是在高壓和高真空作用下，利用氣體輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊靶材，使靶材原子獲得足夠的能量從靶材表面逸出，并沉積在基底材料表面的一種物理氣相沉積方法。隨著技術(shù)的不斷成熟，濺射法得到了發(fā)展，磁控濺射鍍膜不僅具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染和低溫濺射等特點(diǎn)，而且制備的樣品性能優(yōu)良，膜層結(jié)構(gòu)均勻致密，薄膜與基材的結(jié)合強(qiáng)度高。

1997年，F(xiàn)ox等[32]利用磁控濺射法在光纖光柵表面沉積鈦和鉑電阻涂層，又利用磁控濺射法在光纖光柵表面沉積一層氧化鋅制備壓電傳感光纖光柵，最終得到的光纖光柵傳感器具有良好的應(yīng)變傳感性能。2001年，Li等[33]在光纖光柵表面先后濺射一層薄鈦膜和鎳膜后再電鍍鎳，制備的金屬化光纖光柵具有良好的溫度傳感性能。2010年，顧昌慶等[34]利用磁控濺射法在光纖表面鍍金屬膜，通過(guò)大量的鍍膜試驗(yàn)，分析了金屬的物理性能，包括彈性模量、熱延展率和泊松比對(duì)熱應(yīng)力的影響，研究認(rèn)為，為了減小金屬涂層光纖中的熱應(yīng)力，金屬材料的彈性模量、熱延展率和泊松比應(yīng)當(dāng)減小，并且金屬鍍層的厚度應(yīng)選擇合適的值。濺射法獲得的鍍層厚度通常較薄，微米級(jí)厚度的鍍層通常所需的時(shí)間較長(zhǎng)，并且對(duì)真空度要求較高，雖然可以在一定長(zhǎng)度光纖表面實(shí)現(xiàn)金屬涂層制備，但成本較高并不適合推廣。濺射法可用來(lái)鍍金屬過(guò)渡層，再結(jié)合電鍍來(lái)獲取較厚的金屬鍍層。

1.4 蒸鍍法

蒸鍍法是通過(guò)加熱蒸發(fā)靶材，或使用電子束加速轟擊靶材，從而在襯底上沉積薄膜的方法。與電鍍法和化學(xué)鍍法相比，蒸鍍法能夠制備出更均勻、更致密的薄膜[35]。蒸鍍法具有鍍層純度高、質(zhì)量好和厚度可準(zhǔn)確控制的優(yōu)點(diǎn)，但是存在工藝重復(fù)性較差、鍍層附著力小和在蒸鍍過(guò)程中耗材量大等問(wèn)題[36]。

2012年，Sekar等[37]采用閃蒸法在光纖表面分別鍍80 nm的鋁和鉛，并測(cè)試從室溫到300 ℃范圍內(nèi)光纖光柵溫度靈敏度的變化，結(jié)果表明：鍍金屬的光纖光柵比裸光纖光柵有更高的靈敏度，并且在170 ℃以下時(shí)，鍍鋁光纖光柵的敏感度更高；溫度高于170 ℃時(shí)，由于鉛發(fā)生相變，鍍鉛光纖光柵敏感度更高。2016年，Dyshlyuk等[38]通過(guò)電子束沉積在光纖包層外沉積了一層納米厚度的銀膜，制備用于折射率測(cè)量的等離子體共振傳感器。

1.5 熔融金屬法

熔融金屬法指以光纖穿過(guò)熔融金屬液的形式，在光纖表面直接涂覆一層金屬的方法。熔融金屬法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、涂覆速度快和生產(chǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。與上述幾種方法相比，熔融金屬法最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)在光纖拉絲過(guò)程中進(jìn)行在線金屬涂覆，其在線涂覆裝置如圖2所示。

圖2 金屬在線涂覆裝置示意圖[46]

早在20世紀(jì)60年代，Arridge等[39-40]就分析了熔融金屬涂覆，包括兩個(gè)階段：第一階段為內(nèi)涂覆層的形成，當(dāng)光纖進(jìn)入熔融金屬液時(shí)，在較高的拉絲速度下光纖可以保持在一個(gè)金屬熔點(diǎn)以下的較低表面溫度，使得金屬液在光纖表面凝固形成內(nèi)涂覆層；第二階段為外涂覆層的形成，內(nèi)涂覆層形成后，光纖被熔融金屬進(jìn)一步潤(rùn)濕，光纖表面形成額外的涂覆層，該涂覆層即為外涂覆層。1998年，Seo等[41]基于Arridge等[39-40]的理論，設(shè)計(jì)了熔融金屬法的三維傳導(dǎo)模型，并根據(jù)模型成功制備了錫涂覆光纖。2011年，美國(guó)Fiber Guide公司[42-43]推出了可在極端環(huán)境下可靠使用的金屬涂層光纖，該金屬涂層光纖為鍍金、鍍鋁光纖，其中，鍍金光纖使用溫度可達(dá)700 ℃，鍍鋁光纖使用溫度可達(dá)400 ℃。據(jù)報(bào)道，該光纖不僅保留了光纖的機(jī)械強(qiáng)度，還可以承受靜態(tài)疲勞。其他公司推出的金屬涂層光纖產(chǎn)品見(jiàn)表1。2017年，Scurti等[44]利用熔融金屬法在光纖表面制備了InBi合金和PbSn合金低熔點(diǎn)金屬涂層，低熔點(diǎn)金屬涂層在光纖周?chē)耆病?/p>

表1 不同公司金屬涂層光纖產(chǎn)品

早在1992年，國(guó)內(nèi)王友軍等[45]就采用熔融金屬法制備出具有良好機(jī)械性能、高耐熱性能、較好溫度靈敏度和抗振動(dòng)干擾能力的金屬涂層光纖，但并沒(méi)有后續(xù)工作的報(bào)道。2021年，李好等[46]成功研制了鍍鋁光纖，該光纖形貌良好，表面光滑無(wú)缺陷，涂覆均勻并且厚度一致，為金屬涂層光纖的批量生產(chǎn)問(wèn)題提供了解決方案。

目前可用于熔融金屬法的金屬種類(lèi)較多，熔點(diǎn)較低的有錫、銦鉍合金和鉛錫合金等，熔點(diǎn)較高的有鋁、金和銅等。用于熔融金屬法涂覆的金屬熔點(diǎn)通常低于光纖的軟化點(diǎn)[30](在1 400～1 500 ℃)。由于可以實(shí)現(xiàn)在金屬拉絲過(guò)程中制備金屬涂層光纖，熔融金屬法是目前用于生產(chǎn)連續(xù)長(zhǎng)距離金屬涂層光纖的最為合適的方法。但金屬熔體具有表面張力大、黏度小的特點(diǎn)，在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)掛珠等現(xiàn)象[47]，因此需要對(duì)拉絲工藝與涂覆工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。

綜上所述，用于制備金屬涂層光纖的化學(xué)鍍法、電鍍法、濺射法、蒸鍍法和熔融金屬法的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 制備金屬涂層光纖不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

2 金屬涂層光纖的性能

2.1 金屬鍍層結(jié)合力

光纖是無(wú)機(jī)非金屬材料，與金屬材料物理性質(zhì)相差較大，研究者們對(duì)光纖與金屬涂層的結(jié)合力進(jìn)行了相關(guān)研究，以評(píng)價(jià)鍍層質(zhì)量。光纖與金屬鍍層的結(jié)合力測(cè)試方法通常為刀片刻劃和熱震法[48]，其中熱震法為把鍍鎳光纖置于250 ℃環(huán)境下保溫1 h后，迅速拿出放入0 ℃的冰水中1 min，觀察鍍層的變化。白立曉[20]、姜德生等[49]和殷燕子[50]都采用熱震法對(duì)光纖與金屬鍍層的結(jié)合力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。除上述方法外，曠戈等[22]用3M膠帶粘住光纖，撕下，連續(xù)重復(fù)三次，光纖鍍層的附著力未脫落為合格。

2008年，姜德生等[49]將鍍鎳光纖在250 ℃條件下熱處理3 h，待自然冷卻后發(fā)現(xiàn)光纖與金屬鍍層的結(jié)合力提高了20%，硬度有所提高但塑性降低。2016年，張銀亮等[51]采用磁控濺射法在裸光纖表面分別沉積銀和鈦?zhàn)鳛檎辰訉樱笤匐婂兩弦粚渔?，利用磁控濺射法制備的粘接層形貌完好，且與電鍍鎳涂層結(jié)合良好。他們認(rèn)為鈦為親氧性金屬，與氧的親和力較強(qiáng)，所以鈦與SiO2的結(jié)合性能比銀與SiO2的結(jié)合性能更好。因此，鈦粘結(jié)層金屬涂層/光纖的界面剪切強(qiáng)度比銀粘結(jié)層金屬涂層/光纖的界面剪切強(qiáng)度高。

2.2 金屬鍍層表面質(zhì)量及均勻性

金屬鍍層表面質(zhì)量及均勻性是影響金屬涂層對(duì)光纖保護(hù)效果的重要因素。研究者通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察金屬涂層光纖的側(cè)面及截面，對(duì)鍍層的厚度及形貌進(jìn)行分析。經(jīng)粗化、敏化和活化后，再通過(guò)化學(xué)鍍和電鍍的方法制備的金屬涂層，通常表面光滑明亮，并且致密連續(xù)均勻，整體缺陷很少。除把金屬涂層光纖切斷后直接截面形貌觀察外，Scurti等[44]、殷燕子[50]和張銀亮等[51]把光纖鑲嵌于樹(shù)脂中，待樹(shù)脂固化后通過(guò)砂紙打磨、拋光等方法制備出表面光滑的試樣，再觀察分析金屬鍍層光纖的截面形貌。Scurti等[44]通過(guò)截面觀察發(fā)現(xiàn)其制備的金屬涂層光纖存在涂層厚度不均勻、光纖與金屬涂層同心度差等現(xiàn)象。

2.3 力學(xué)性能

光纖強(qiáng)度是光纖的重要物理機(jī)械性能，光纖強(qiáng)度直接影響到光通信系統(tǒng)的可靠性。光纖的理論強(qiáng)度很高，但水的侵蝕會(huì)導(dǎo)致光纖強(qiáng)度急劇降低[52-53]。金屬涂層可以對(duì)光纖起保護(hù)作用，研究者們對(duì)金屬涂層光纖的力學(xué)性能也進(jìn)行了研究。施曉紅[47]認(rèn)為，熔融金屬涂覆工藝的影響因素包括光纖的張力、金屬液的溫度、涂覆時(shí)金屬的液位和光纖的拉絲速度。她提出了鍍錫光纖錫涂層對(duì)光纖的強(qiáng)化機(jī)理，主要包括兩方面：一方面是金屬涂層的封閉性對(duì)光纖起到保護(hù)作用，能隔離水和其他對(duì)光纖有破壞性的物質(zhì)；另一方面是金屬錫與光纖的線膨脹系數(shù)差別較大，在冷卻過(guò)程中收縮的幅度不一致，導(dǎo)致錫包層對(duì)光纖產(chǎn)生了收縮力，這個(gè)收縮力會(huì)對(duì)光纖強(qiáng)度(特別是彎曲強(qiáng)度)產(chǎn)生大的影響。

由于化學(xué)鍍等方法制備的金屬涂層光纖長(zhǎng)度通常較短，研究者們通過(guò)調(diào)整標(biāo)距段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了光纖斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法。殷燕子[50]將光纖的兩端用碳?xì)衷鰪?qiáng)，并將增強(qiáng)端分別夾持在微型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上下夾口內(nèi)進(jìn)行拉伸，夾具之間的光纖長(zhǎng)度為200 mm，拉伸速度為6 mm/min，抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)為垂直方向，光纖強(qiáng)度值為光纖斷裂下的應(yīng)變值。楊珂[54]把光纖粘接在鋁片上，待粘結(jié)劑凝固之后，將鋁片分別放入拉伸機(jī)的上下兩個(gè)夾頭中，通過(guò)調(diào)整鋁片的位置使光纖處于垂直狀態(tài)，試驗(yàn)所選用的光纖拉伸標(biāo)距為100 mm，加載速率為3 mm/min。

2005年，Shiue等[55]結(jié)合理論和試驗(yàn)研究了鍍層厚度和粗糙度對(duì)鍍鎳光纖機(jī)械強(qiáng)度和熱致應(yīng)力空洞的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鍍層厚度不超過(guò)65 nm時(shí)，鍍層粗糙度基本不變；當(dāng)鍍層厚度超過(guò)65 nm時(shí)，鍍層粗糙度隨著鍍層厚度的增大而增大；當(dāng)鍍層厚度不小于308 nm時(shí)，鎳鍍層的粗糙度相對(duì)較大。為了提高鍍鎳光纖的抗拉強(qiáng)度，鍍層厚度應(yīng)超過(guò)65 nm。2019年，楊珂[54]研究了金屬化光纖光柵抗拉強(qiáng)度及其低溫傳感特性，在光纖光柵表面化學(xué)鍍鎳后，比較化學(xué)鍍鎳與電鍍鎳發(fā)現(xiàn)，由于預(yù)處理的強(qiáng)酸性環(huán)境，化學(xué)鍍鎳后的平均斷裂抗力(8.42 N)小于丙酮浸泡去除保護(hù)層后的裸光纖平均斷裂抗力(14.93 N)，而電鍍鎳得到的光纖平均斷裂抗力(14.88 N)要遠(yuǎn)高于化學(xué)鍍鎳得到的光纖。

2.4 宏彎損耗性能

光纖由于在遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸中易發(fā)生彎曲而產(chǎn)生損耗，從而增加傳輸附加損耗，被認(rèn)為是光通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)傳輸十分不利的因素[56]。宏彎損耗是衡量光纖性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，對(duì)光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離、傳輸穩(wěn)定性和可靠性起著決定性作用。利用光纖的宏彎損耗特性能夠研發(fā)光纖宏彎器件，研究光纖宏彎損耗特性能夠促進(jìn)光纖通信技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和光電子器件的發(fā)展[57]。在光纖表面制備金屬涂層后，金屬涂層對(duì)光纖起到保護(hù)的作用，但金屬涂層對(duì)光纖的宏彎損耗特性有較大影響。2015年，彭星玲[58]在光纖表面制備鎳鍍層后研究其宏彎損耗性能，建立了帶復(fù)折射率涂覆層單模光纖宏彎損耗理論模型，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎳涂層光纖宏彎損耗對(duì)溫度的響應(yīng)是單調(diào)的，鎳涂層光纖具有較高的溫度分辨力。

3 金屬涂層光纖的應(yīng)用

3.1 溫度傳感

光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕和可埋入性良好等優(yōu)點(diǎn)。光在光纖中傳播時(shí)，光的特征參量如振幅、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)等因外界溫度的變化而發(fā)生變化，因此可將光纖用作傳感器元件來(lái)進(jìn)行溫度傳感。在光纖光柵表面制備金屬涂層后，可以提高其溫度靈敏度，并且可以擴(kuò)大其溫度測(cè)量范圍。

2006年，張文禹[18]通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了化學(xué)鍍鎳、電鍍鎳的工藝，最終成功制備出焊接性能好、光亮度高的鎳鍍層，并且通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)電鍍鎳增厚封裝光纖光柵傳感器的溫度傳感系數(shù)明顯優(yōu)于黏膠封裝的光纖光柵傳感器。2012年，姜智超[59]使用化學(xué)鍍與電鍍結(jié)合的方式在光纖光柵表面鍍鎳，通過(guò)理論和試驗(yàn)分析，認(rèn)為在光纖光柵化學(xué)鍍與電鍍的過(guò)程中，光纖柵表面會(huì)受到壓應(yīng)力的作用導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)減小，進(jìn)行溫度傳感測(cè)試后發(fā)現(xiàn)鍍鎳后光纖光柵溫度靈敏度提高了近2～3倍。2018年，Li等[60]在光纖光柵表面使用化學(xué)鍍法制備鎳涂層，再使用電鍍法制備鎳、銅、鋅和錫涂層，制備出的鎳涂層、銅涂層、鋅涂層和錫涂層光纖光柵在低溫環(huán)境下的溫度靈敏度分別是裸光纖光柵的1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍。2018年，江建峰[61]在光柵表面化學(xué)鍍鎳和化學(xué)鍍銅，建立了分析金屬涂層光纖光柵溫度傳感的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相比較，誤差低于9.75%。

將傳感元件埋入結(jié)構(gòu)基體中，利用傳感元件對(duì)基體的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量以檢測(cè)基體狀態(tài)，并及時(shí)對(duì)基體進(jìn)行調(diào)整的結(jié)構(gòu)稱為智能結(jié)構(gòu)。除對(duì)金屬涂層光纖的溫度傳感特性進(jìn)行理論研究和測(cè)試之外，研究者還把金屬涂層光纖嵌入水泥砂漿、鋼材等中，并對(duì)嵌入后的智能結(jié)構(gòu)的溫度傳感性能進(jìn)行研究。2006年，Sandlin等[62]通過(guò)銀鏡反應(yīng)在光纖光柵表面制備薄層銀，再通過(guò)電鍍的方法在光纖表面制備鎳鍍層，通過(guò)此工藝制備的金屬嵌入式光纖傳感器尤其適用于惡劣環(huán)境，工作溫度高達(dá)600 ℃，并且與金屬釬焊后發(fā)現(xiàn)光纖光柵反射峰保持了良好的形態(tài)。2007年，宋路發(fā)[63]把鍍鎳光纖光柵封入水泥砂漿中并測(cè)試其溫度傳感特性，發(fā)現(xiàn)其波長(zhǎng)隨溫度變化具有良好的線性和重復(fù)性。2009年，Li等[64]把金屬化后的光纖光柵嵌入鉻錳鋼部件后，溫度靈敏度有一定提高。2011年，蘭健[65]通過(guò)真空感應(yīng)熔煉爐將熔融的Sn-10Al合金與鍍鎳光纖光柵熔鑄在一起，制備成型金屬基復(fù)合傳感器,測(cè)試結(jié)果表明新型傳感器對(duì)溫度和壓力的反應(yīng)比裸光纖傳感器高得多，其溫度傳感靈敏系數(shù)要比裸光纖光柵傳感器高出將近2倍。2011年，Alemohammad等[66]在光纖表面鍍金屬制備嵌入式傳感器，熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示響應(yīng)呈線性趨勢(shì)，這與基于光纖光柵光彈性和熱光學(xué)特性建立的光力學(xué)模型的建模結(jié)果一致，該線性響應(yīng)特性也表明了表面鍍層的完整性，即沒(méi)有裂縫、孔隙和分層等缺陷。2016年，Hsiao等[67]發(fā)現(xiàn)，裸光纖光柵傳感器參數(shù)在500～650 ℃時(shí)消失，表明此時(shí)傳感器已經(jīng)失效，而涂覆了CrN涂層的光纖光柵仍可正常運(yùn)行，并且涂覆CrN的光纖光柵靈敏度為14 pm/℃，該值高于裸光纖光柵。2017年，王裕波[68]將金屬化后的光纖光柵激光焊接封裝在銀銅箔的表面，測(cè)試其熱壓傳感性能發(fā)現(xiàn)，焊接封裝后的光纖光柵溫度靈敏度是裸光纖光柵的1.76倍，并且在常溫下激光焊接封裝光纖光柵穩(wěn)定性稍差，可能是由于在焊接封裝過(guò)程中銀銅共晶合金發(fā)生變形致使整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)有殘余應(yīng)力。

3.2 應(yīng)力/應(yīng)變傳感

光纖傳感器的應(yīng)力傳感原理為：當(dāng)應(yīng)力變化時(shí)，光纖有效折射率由于彈光效應(yīng)和光柵周期的伸縮而發(fā)生變化，諧振波長(zhǎng)也隨著參數(shù)改變而發(fā)生漂移[69]。光纖可用于對(duì)器件的應(yīng)力/應(yīng)變進(jìn)行傳感檢測(cè)，研究者們對(duì)制備金屬涂層后的光纖器件的應(yīng)力/應(yīng)變傳感也有一定研究。2005年，Lo等[70]基于光纖光柵設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量低膨脹鎳合金塊熱膨脹系數(shù)的非熱應(yīng)變儀，用化學(xué)鍍法在光纖表面制備了約5 μm的銅涂層，最終制備的非熱應(yīng)變儀的布拉格波長(zhǎng)不會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，只會(huì)隨著光纖光柵上的機(jī)械應(yīng)變的變化而變化，可用于對(duì)器件機(jī)械應(yīng)變的檢測(cè)。2011年，Hu等[71]先在光纖表面沉積100 nm的銀，再電鍍12～15 μm鐵碳合金傳感膜，成功制備出用于鋼腐蝕監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器，但該傳感器對(duì)于金屬薄膜的腐蝕很敏感，并且光纖本身十分脆弱，容易導(dǎo)致傳感器失效。2012年，殷燕子[50]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)層為化學(xué)鍍鎳層，外層為紫外光固化納米二氧化硅/環(huán)氧丙烯酸酯/聚氨酯丙烯酸酯雜化材料的雙涂層結(jié)構(gòu)傳感器涂層，把該涂層涂覆在光纖光柵后埋入復(fù)合材料中，用以監(jiān)測(cè)熱壓罐成型碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的固化成型過(guò)程的溫度和表面應(yīng)力，結(jié)果表明雙涂層傳感器可以完整監(jiān)測(cè)復(fù)合材料彎曲直至材料失效的整個(gè)過(guò)程，而無(wú)涂層傳感器在材料失效之前就已經(jīng)失效。

3.3 氣體檢測(cè)

基于金屬涂覆的光纖表面等離子體共振技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展迅速、應(yīng)用前景較好的一種先進(jìn)技術(shù)。在該傳感技術(shù)中，通過(guò)檢測(cè)傳感器金屬表面折射率的變化來(lái)研究其特性。利用光纖等離子體共振技術(shù)與金屬氧化物相結(jié)合，制備金屬/金屬氧化物涂覆光纖可以實(shí)現(xiàn)光纖氣體傳感。隨著環(huán)境中檢測(cè)氣體濃度的變化，光纖表面涂覆材料的折射率發(fā)生變化，最終導(dǎo)致光纖傳感特性發(fā)生變化，因此可以通過(guò)檢測(cè)光纖光譜變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度變化。2018年，Ganesh等[72]基于銀/氧化鋅納米材料制備氨氣傳感器，該傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均優(yōu)于氧化鋅涂覆的氨氣傳感器。2019年，Miliutina等[73]使用真空濺射法在多模光纖表面鍍厚度約40 nm的金屬鍍層，并在表面鍍金屬有機(jī)骨架層(IRMOF-20)來(lái)制備氫傳感器，制備的氫傳感器具有高的響應(yīng)/吸收率，對(duì)氫選擇性好，在室溫或更低溫度下可用，對(duì)濕度及CO2、CO和NO2不敏感等特性。2020年，王旗旗[74]制備了氧化鐵涂覆光纖傳感器，該傳感器對(duì)氨氣分子具有明顯的選擇吸收性，其檢測(cè)靈敏度為未涂覆氧化鐵傳感器的11.80倍。

3.4 生物/化學(xué)傳感

生物/化學(xué)傳感是光纖表面等離子體共振技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域[75]。通常在光纖的金屬膜層外化學(xué)生長(zhǎng)、物理沉積或吸附功能膜層，用于化學(xué)傳感的膜層可與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生改變；用于生物傳感的膜層可與待測(cè)生物分子結(jié)合，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化。這些變化使共振波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，通過(guò)分析共振波長(zhǎng)偏移量可以獲得待測(cè)物的信息。Verma等[76]用吡咯涂層和殼聚糖復(fù)合材料對(duì)鍍銀/氧化銦錫薄膜的光纖進(jìn)行改性，制備用于探測(cè)污水中鎘、鉛、銀等重金屬離子的傳感器，該傳感器對(duì)鎘離子高度敏感，但其敏感度隨著重金屬離子含量的增加而下降，僅適用于低濃度重金屬離子探測(cè)。Shrivastav等[77]通過(guò)在光纖表面蒸發(fā)鍍銀，再使用紅霉素分子印跡作為外涂層來(lái)制備紅霉素探測(cè)傳感器，該傳感器具有響應(yīng)時(shí)間快、成本低、選擇性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，以及具有在線監(jiān)測(cè)和遙感分析能力。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

金屬涂層光纖研究經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展取得了一定的成果。制備方法上，確定了以硫酸鎳、次磷酸鈉、硼酸和丙酸為主要成分的化學(xué)鍍鍍液配方和以硫酸鎳、氯化鎳、硼酸和十二烷基磺酸鈉為主要成分的電鍍鍍液配方。磁控濺射法和蒸鍍法在金屬涂層光纖制備上應(yīng)用相對(duì)較少。熔融金屬法可以實(shí)現(xiàn)光纖拉絲過(guò)程中在線制備金屬涂層光纖，是光纖產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。對(duì)于金屬涂層光纖的溫度傳感特性等也進(jìn)行了大量研究，與有機(jī)涂層光纖相比，金屬涂層光纖的靈敏度有一定程度提高。

目前來(lái)看，金屬涂層光纖的研究仍存在以下不足：

(1)對(duì)金屬涂層光纖的評(píng)價(jià)缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如鍍層厚度、致密度、金屬涂層與光纖結(jié)合力等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。很多研究采用肉眼與掃描電子顯微鏡結(jié)合的方法來(lái)對(duì)鍍層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，但整體仍缺乏具體數(shù)值評(píng)價(jià)。

(2)化學(xué)鍍預(yù)處理使用的含鈀離子溶液價(jià)格較高，電鍍鍍液存在污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，化學(xué)鍍和電鍍能實(shí)現(xiàn)光纖表面金屬涂層的制備，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)涂覆?；瘜W(xué)鍍和電鍍工藝的改進(jìn)及如何增加涂覆距離是未來(lái)可能的研究方向之一。

(3)熔融金屬法可以用于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離金屬涂層光纖的制備，但工藝參數(shù)與制備光纖質(zhì)量之間的關(guān)系，熔融金屬法和其他方法制備光纖的性能差異，金屬凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)光纖性能的影響仍有待研究。

(4)鍍鋁、鍍金、鍍銅等金屬涂層光纖的使用溫度要高于丙烯酸樹(shù)脂涂層光纖，對(duì)金屬涂層光纖在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性、可靠性研究相對(duì)較少。

綜上所述，金屬涂層光纖未來(lái)的前景廣闊，但仍需要對(duì)其進(jìn)行更多研究。