石英光纤表面镍–磷–硼预镀层上电镀厚镍的响应面法研究

肖正强，蒋柏泉，张华

（1.江西省科学院，江西 南昌 330029；2.南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031；3.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031）

石英光纤表面镍–磷–硼预镀层上电镀厚镍的响应面法研究

肖正强1，蒋柏泉2,*，张华3

（1.江西省科学院，江西 南昌 330029；2.南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031；3.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031）

采用响应面法对石英光纤表面Ni–P–B预镀层上电镀厚镍进行了研究。建立了以六水合硫酸镍质量浓度、十二烷基硫酸钠质量浓度、氧化镧质量浓度和电流密度为因变量，以镍沉积速率为响应值的二次多项式模型，其预测值与实验值吻合度较好。在六水合硫酸镍质量浓度为220 g/L，十二烷基硫酸钠质量浓度为0.08 g/L，氧化镧质量浓度为0.9 g/L和电流密度为1.0 A/dm2的条件下，获得最大镍沉积速率为24.43 μm/h；在六水合硫酸镍质量浓度为180 g/L，十二烷基硫酸钠质量浓度为0.08 g/L，氧化镧质量浓度为0.9 g/L和电流密度为0.8 A/dm2的条件下，所得镍镀层的质量最好，其颗粒均匀细小，致密度高，具有良好的导电和焊接性能。

石英光纤；镍–磷–硼合金；电镀镍；响应面法

1 前言

石英光纤(Quartz optical fiber，缩写为QOF)是良好的光导体材料[1]。将石英光纤制备的Bragg光栅焊接于金属内部，可方便和准确地测量金属内部的应力、应变等物理性能。石英光纤为非金属材料，为满足焊接要求，必须在其表面制备适当厚度的金属层，一般先采用化学镀在裸光纤表面预镀一层较薄的金属[2-5]，再在预镀层上电镀一层较厚的金属镀层。响应面法(response surface methodology，RSM)将数学方法与统计方法有机结合，用于对感兴趣的响应(即目标函数)受多个变量影响的问题进行建模和分析，从而实现对该响应的优化，具有试验次数少、精度高、预测性好、善于体现因素之间交互作用等优点[6]。近年来，响应面法已经被广泛应用于天然植物中有效食用和药用成分提取工艺的优化[7-8]，但其用于电镀和化学镀工艺过程的研究却很少报道[9]。本文在采用化学镀于石英光纤表面成功预镀上Ni–P–B薄层的前期工作[10-11]基础上，采用响应面法在Ni–P–B预镀层上进行了电镀厚镍的研究，重点在于工艺过程参数的优化，镍沉积速率方程的建立，以及镍镀层的表征。

2 实验

2. 1 原材料

六水合硫酸镍(NiSO4·6H2O)，w ≥98.5%，上海恒信化学试剂有限公司；无水硫酸钠(Na2SO4)，分析纯，w ≥99%，上海试剂一厂；氯化钠(NaCl)，w ≥99.5%，天津市大茂化学试剂厂；十二烷基硫酸钠(C12H25OSO3Na)，含醇量(以干粉计)≥59%，上海青析化工科技有限公司；氧化镧(La2O3)，w ≥99.9%，江西省稀土研究所；阴极材料为 Ni–P–B预镀石英光纤，自制；阳极材料为镍管。

2. 2 主要仪器和设备

千分卡，东莞市欧迪电子有限公司；101-A-1型温度数显干燥箱，上海市仪器总厂；WYJ- 201型晶体管稳压电源，埠阳无线电厂；S-3000N型扫描电子显微镜，日本日立公司；XQ-2型金相镶嵌机，上海日用电机厂； HXS-1000A型数字式智能显微硬度计，上海尚光显微镜有限公司。

2. 3 工艺过程

2. 3. 1 电极材料的预处理

将刚化学镀 Ni–P–B的石英光纤用蒸馏水清洗后干燥。镍管先用质量分数为30%的氢氧化钠溶液除油，然后用质量分数为 10%的硫酸溶液中和，最后用蒸馏水洗净。

2. 3. 2 镀液组成和工艺条件

2. 3. 3 响应面实验设计

选择六水合硫酸镍、十二烷基硫酸钠和氧化镧的质量浓度以及电流密度为考察因素，利用Design-Expert 7.0 软件中的Box-Behnken方法，按表1所示的因素水平表设计四因素三水平共 29个试验点(5个中心点)的响应面试验。

表1 四因素三水平响应面试验设计Table 1 Design of response surface test with four factors at three levels

2. 4 测试和表征

镀层厚度用千分卡测量；镀层表面形貌采用扫描电镜观察；镀层硬度采用金相镶嵌机和数字式智能显微硬度计测定；镀层附着力和可焊性分别采用热震法(TST)和润湿时间法测定[12]；电阻率用万用表测定；镀层致密度定义为实测镀层密度与理论镀层密度之比；镍沉积速率由厚度测量法测定，并用式(1)计算。

式(1)中：v为Ni 沉积速率，μm/h；δ1和δ2分别为光纤电镀前后的厚度，μm；t为电镀时间，h。

3 结果与讨论

以镍沉积速率为响应值(目标函数)，四因素三水平响应面试验方案和结果见表2。

表2 试验结果(实际值)Table 2 Test results (actual values)

3. 1 模型及其方差分析

利用Design-Expert 7.0软件对表2数据进行二次多元回归拟合，得到镍沉积速率(Y)的预测值与六水合硫酸镍质量浓度(X1)、十二烷基硫酸钠质量浓度(X2)、氧化镧质量浓度(X3)和电流密度(X4)为变量的二次回归方程为：

模型方差分析表(见表 3)内方差来源中各项对响应值的影响，可由概率P值(Prob ＞F)来判断，当P值小于0.05时，其相应的项对响应值的影响为显著，否则为不显著。由表 3可知，镍沉积速率的回归模型是显著的(P ＜0.000 1 ＜0.050 0)，失拟项是不显著的(P = 0.055 8 ＞0.050 0)，回归模型的决定系数(R2)高达0.967 2，说明模型的精确度较高，可用于预测不同工艺条件下的镍沉积速率。

3. 2 响应面分析

图1 镍镀速的响应面和等高线图Figure 1 Plots of response surfaces and contours for nickel deposition rate

图1反映了以镍沉积速率为响应值时，各两两因素交互作用对响应值的影响。由图1可见，各两两因素交互作用对响应值的影响均呈椭圆形状。根据长轴边指向的因素对响应值的影响大于短轴边指向的因素，可知各因素对响应值影响的顺序为X1＞ X2＞ X4＞X3，即六合水硫酸镍质量浓度 ＞ 十二烷基硫酸钠质量浓度 ＞ 电流密度 ＞ 氧化镧质量浓度。ρ= 220 g/L、ρB= 0.08 g/L、ρC= 0.9 g/L和j = 1.0 A/dm2，此时镍沉积速率(v)的最大预测值为24.42 μm/h。该组合在响应面方案表中未出现，通过在该条件下补做3次平行试验，测得镍沉积速率值分别为 24.46、24.39和24.44 μm/h，平均值为24.43 μm/h，与预测值十分接近。

3. 4 模型验证

实验值与模型预测值及其相对误差分别列于表 2中的最后3列。由该3列数据可知，29组不同因素水平组合中，除组合1、3、9和21外，其余大多数组合的实验值与模型预测值的相对误差(绝对值)均小于5%，说明模型预测结果与实验结果有较好的吻合度。

3. 5 镀层表征和测试

实验发现，在所有试验组合中，试验号27条件下制得的样品的镀层质量比其他样品都好。图2是试验号为27的样品表面和横截面形貌的扫描电镜照片。由图2可知，在该工艺条件下制备的镍镀层(厚约843 μm)晶粒均匀细小，形如球状，横截面上无明显孔洞。

A经热震法测试，镀层均无明显起泡和剥落现象发生。此外，测得该镀层的显微硬度、电阻率、致密度和表面完全被焊锡润湿的时间分别为618 HV、18 μΩ·cm、98%和2 s，说明其导电和焊接性能良好。

图2 镍镀层表面和横截面的扫描电镜照片Figure 2 SEM images of surface and cross-section of nickel coating

4 结论

(1) 建立了以六水合硫酸镍质量浓度、十二烷基硫酸钠质量浓度、氧化镧质量浓度和电流密度为考察因素，以镍镀速为响应值的二次多项式模型，模型计算值与实验值具有较好的吻合度，可用于预测不同工艺条件下的镍沉积速率。

(2) 固定其他条件不变，当六水合硫酸镍质量浓度为220 g/L，十二烷基硫酸钠质量浓度为0.08 g/L，氧化镧质量浓度为0.9 g/L，电流密度为1.0 A/dm2时，获得最大镍镀速为24.43 μm/h。

(3) 固定其他条件不变，当六水合硫酸镍质量浓度为180 g/L，十二烷基硫酸钠质量浓度为0.08 g/L，氧化镧质量浓度为0.9 g/L，电流密度为0.8 A/dm2时(试验号 27)，获得最好的镍镀层质量(此时镍镀速为16.6 μm/h)，其颗粒均匀细小，致密性很高，具有良好的导电和焊接性能。

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Response surface study on electrodeposition of thick nickel coating on nickel–phosphorus–boron alloy pre-plated quartz optical fiber //

XIAO Zheng-qiang, JIANG Bo-quan*, ZHANG Hua

The electrodeposition of thick nickel coating on Ni–P–B coating pre-plated on quartz optical fiber surface was studied by response surface methodology. A quadratic multinomial model was established with NiSO4·6H2O mass concentration, sodium dodecyl sulfate (SDS) mass concentration, La2O3mass concentration and current density as dependent variables and nickel deposition rate as response value. The theoretical values of the model were close to the experimental ones. The maximum nickel deposition rate of 24.43 μm/h was obtained with NiSO4·6H2O 220 g/L, SDS 0.08 g/L, and La2O30.9 g/L at a current density of 1.0 A/dm2. The best quality nickel coating with small and uniform grains, high compactness, and good conductive and welding properties was obtained in a bath containing NiSO4·6H2O 180 g/L, SDS 0.08 g/L, and La2O30.9 g/L at a current density of 0.8 A/dm2.

quartz optical fiber; nickel–phosphorus–boron alloy; nickel electroplating; response surface methodology

Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330029, China

TQ153.12; TQ153.3

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0009 – 04

2011–05–27

2011–07–21

国家“973”项目“光纤智能金属结构熔焊快速制造技术的基础研究”（2005cca04300）。

肖正强（1973–），男，江西人，助理研究员，研究方向为化工和表面新材料。

蒋柏泉，教授，(E-mail) jbq_win@163.com。

[ 编辑：温靖邦 ]