镀镍光纤抗拉强度及其影响因素

杨 珂,李玉龙,李学文

(南昌大学机电工程学院江西省机器人与焊接自动化重点实验室,江西 南昌 330031)

1 引 言

光纤具有传输速度快、抗干扰能力强、体型小、容易形成阵列等一系列优点[1],已经被广泛应用在航空航天、石油石化、安防和电力工业等领域[2-5]。裸光纤主要成分是SiO2,属于脆性材料[6],光纤细小质脆、容易损坏,而且多数情况下其工作环境比较恶劣,所以要对光纤传感器进行保护。对光纤传感器进行保护的研究已有很多,Carla Lupi[7]等分别使用铜、锌和铅等对光纤传感器进行保护,研究了其低温传感特性。Vivekanand Mishra[8]等分别使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、铜、铝和铟等材料对光纤传感器进行保护的同时提高了光纤传感器的灵敏度。郭明金[9]等使用化学镀镍后电镀金的方法对光纤传感器进行保护。上述材料虽然可以对光纤传感器进行保护,但都存在各自的缺点。聚合物不耐高温,铜镀层、铝镀层和锌镀层性能不稳定易氧化,金价格昂贵,铅和铟对环境有害。镍价格相对较低、耐高温、耐腐蚀、镀层性能稳定并且对环境影响较小,被应用于光纤传感器的金属化保护。在工程应用中光纤传感器多处于复杂的多向应力状态,镀镍作为对光纤传感器进行保护的重要方式,研究镀镍光纤的抗拉强度以及影响因素具有重要意义。目前研究人员普遍以硫酸镍为主盐在光纤传感器表面镀镍[10-12],以硫酸镍为主盐所得的镍镀层可以保护光纤传感器,但镀层表面质量较差,内应力大。而采用氨基磺酸镍为主盐所得到的镍镀层结晶细致,内应力低且柔韧性好[13-15]。尽管以氨基磺酸镍为主盐进行电镀的工艺已经在电子工业领域得到广泛应用,但是还未见到以其为主盐在光纤表面电镀镍的研究。

鉴于此,本文分别以硫酸镍和氨基磺酸镍为主盐在化学镀镍后的光纤表面电镀镍。研究了两种电镀镍工艺所得镀镍光纤的表面质量和抗拉强度；与FiberGuide所售的镀金光纤进行对比,选取效果更佳的电镀镍工艺,从而指导生产和应用。

2 试 验

2.1 光纤保护层去除

市售的光纤通常使用丙烯酸酯或聚酰亚胺等聚合物作为保护层,在化学镀镍之前要将保护层去除。常用的去光纤保护层方法是用光纤钳将保护层机械剥除,但在试验过程中发现在机械剥除保护层后的光纤表面施镀的化学镀镍层不光滑,经过分析得出其原因可能是光纤钳对裸光纤表面造成了损伤。

为了确定光纤钳是否会对光纤表面造成损伤,本文采用两种方法去除光纤保护层。方法一是用光纤钳机械剥除保护层,方法二是用丙酮浸泡去除保护层。分别检测两种去除保护层方法所得裸光纤抗拉强度,并用扫描电镜观察其表面形貌。所用光纤为康宁SMF-28e+标准单模光纤,裸光纤直径约为120 μm,丙酮浸泡时间为20 min。

2.2 光纤镀镍

光纤的主要成分是SiO2,抗弯折强度很低,在工程应用中易损坏,表面金属化是对其进行保护的重要方式。本研究采用化学镀镍结合电镀镍的方法对其进行保护,化学镀镍的工艺流程为:(1)预处理,去保护层→除油污→敏化→活化；(2)化学镀。具体的预处理和化学镀过程在之前的研究中已有详细阐述[16]。

为了获得表面光滑致密、内应力更小、抗拉强度更高的电镀镍光纤,本文采用两种配方在光纤表面电镀镍,比较镀层质量和电镀后光纤的抗拉强度,选取效果更好的电镀镍工艺。配方一为:280g/L NiSO4·7H2O、50 g/LNiCl2·6H2O、35 g/LH3BO3和1 g/LC12H25SO4Na。配方二为:350 g/L Ni(NH2SO3)2·4H2O、20 g/LH3BO3和1 g/L润湿剂。

电镀时使用如图1所示金属化光纤电镀试验装置,将配置好的电镀液盛于烧杯中,按照示意图固定试验材料,阳极是纯镍,阴极是待镀光纤。电镀过程在室温(25 ℃)下进行,光纤浸入镀液部分的长度约为150 mm。电镀镍工艺为pH:4.0～4.5,施镀时间:6 h,电流密度:2～3 A/m2,镀层厚度:11～13 μm。

图1 金属化光纤表面电镀装置示意图

2.3 光纤拉伸试验

抗拉强度是光纤重要的力学性能指标之一,研究光纤的抗拉强度对于预防光纤损伤和破坏具有重要意义。本试验采用如图2所示的光纤拉伸试验装置对不同去保护层方法所得的裸光纤、化学镀镍光纤、两种电镀工艺所得的镀镍光纤和镀金光纤的抗拉强度进行检测。共检测43根光纤,去除无效数据,取30根光纤的检测结果进行分析,分别编号#1～#30。在试验之前,先用粘结剂将光纤粘贴在铝片上,然后将两块铝片分别夹在拉伸机的上下夹头。其中拉伸光纤标距为100 mm,试验温度为室温(25 ℃),试验过程中以3 mm/min的速率均匀加载,直至光纤断裂,记录光纤断裂时的加载状态。

图2 光纤拉伸试验装置

3 试验结果与讨论

3.1 裸光纤的抗拉强度

通过光纤拉伸试验检测两种不同去保护层方法所得裸光纤的断裂抗力情况如图3所示。方法一所得裸光纤的平均断裂抗力为10.89 N,平均抗拉强度为963.38 MPa。方法二所得裸光纤的平均断裂抗力为14.93 N,平均抗拉强度为1320.77 MPa。由此可知,光纤钳机械剥除保护层的方法会使裸光纤的抗拉强度降低。

为了进一步分析裸光纤抗拉强度降低的原因,采用扫描电镜(SEM)观察方法一和方法二所得裸光纤的表面形貌,结果分别如图4(a)和(b)所示。由图可以清晰的看到方法二所得裸光纤表面几乎无损伤,方法一在剥除保护层时会造成光纤表面凹凸不平并产生深度不一的刮痕。这就能解释之前试验中发现的在方法一所得裸光纤表面施镀的化学镀镍层不光滑的现象,由于化学镀是金属离子在光纤表面层层堆积的过程,当裸光纤表面凹凸不平时,所得到的化学镀镍层就比较粗糙。另外这些凹坑和刮痕的存在会使光纤极易由于应力集中而断裂,从而造成光纤的抗拉强度降低。

图3 不同去保护层方法所得裸光纤的断裂抗力

图4 不同去保护层方法所得裸光纤表面的扫描电镜照片

3.2 化学镀镍光纤的抗拉强度

由于光纤钳会对光纤表面造成损伤,在后续试验中均采用丙酮浸泡去除光纤保护层,然后在裸光纤表面化学镀镍。图5(a)和(b)分别是用体视显微镜观察到的化学镀镍光纤的外观图和化学镀镍光纤的断裂抗力图。由图可以看到化学镀镍层光滑致密,均匀连续,与光纤结合良好,可以在其基础上电镀镍。化学镀镍后光纤的直径约为123 μm,其平均断裂抗力为8.42 N,平均抗拉强度为708.98 MPa。值得注意的是,化学镀镍后光纤的抗拉强度低于裸光纤的抗拉强度。出现这种现象的原因是光纤中含有硼和磷等杂质,在化学镀镍之前要将裸光纤置于强酸环境中进行敏化和活化,在这种强酸环境中会发生硼和磷等杂质的溶解,进而可能造成光纤腐蚀[17]。由于腐蚀后的光纤基体脆性增大,故化学镀镍后光纤的抗拉强度降低。

图5 化学镀镍光纤的外观和断裂抗力

3.3 电镀镍光纤的抗拉强度

为了选取效果更佳的电镀镍工艺,本文采用了两种电镀镍工艺在化学镀镍后的光纤表面电镀镍,比较了所得镀镍光纤的表面质量和抗拉强度。图6(a)为采用配方一得到的19#电镀镍光纤外观图,图6(b)为采用配方二所得到的20#电镀镍光纤外观图。由图6可知采用配方二所得到的镍镀层更加光滑致密,且具有明亮的金属光泽。图7(a)和(b)分别是使用配方一和配方二所得的电镀镍光纤断裂抗力图,使用配方一所得电镀镍光纤的平均断裂抗力为8.67 N,平均抗拉强度约为511.11 MPa。使用配方二所得电镀镍光纤的平均断裂抗力为14.88 N,平均抗拉强度约为877.20 MPa,比使用配方一所得电镀镍光纤的抗拉强度提高了41.73%。由上述可知,以氨基磺酸镍为主盐所得的电镀镍层更加光滑致密、具有明亮的金属光泽,所得的镀镍光纤具有更高的抗拉强度。这是因为以氨基磺酸镍为主盐所得镍镀层结晶细致,内应力小[18]。

图6 不同配方所得电镀镍光纤外观

图7 不同配方所得电镀镍光纤断裂抗力

3.4 镀金光纤的抗拉强度

为了评判电镀镍的效果,本文将电镀镍光纤的表面质量和抗拉强度与FiberGuide所售镀金光纤进行了对比。镀金光纤的直径为150～154 μm,其外观图和断裂抗力图分别如图8(a)和(b)所示。从图8中可以看到金镀层表面光滑致密,以氨基磺酸镍为主盐所得镀镍光纤的表面质量与镀金光纤的表面质量相当。镀金光纤的平均断裂抗力为13.04 N,平均抗拉强度约为718.99 MPa,略低于以氨基磺酸镍为主盐所得电镀镍光纤的抗拉强度。由此可知,以氨基磺酸镍为主盐所得电镀镍光纤表面光滑致密,具有较高的抗拉强度。

图8 镀金光纤的外观和断裂抗力

4 结 论

本文分别以硫酸镍和氨基磺酸镍为主盐在化学镀镍后的光纤表面电镀镍,研究了两种电镀镍工艺所得镀镍光纤的表面质量和抗拉强度。实验结果表明,光纤的掺杂成分、去保护层方法和电镀镍工艺等因素都会影响光纤的抗拉强度。光纤中的杂质元素可能会使光纤基体在化学镀的强酸环境中腐蚀,光纤钳在剥除保护层时会对光纤表面造成损伤,这都会使光纤抗拉强度降低。以氨基磺酸镍为主盐所得电镀镍光纤表面比以硫酸镍为主盐所得电镀镍光纤表面更加光滑致密,其抗拉强度(877.20 MPa)比以硫酸镍为主盐所得电镀镍光纤的抗拉强度(511.11 MPa)提高41.73%。氨基磺酸镍电镀镍光纤综合性能优异,可以应用于工业生产。

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