蒋柏泉1,杨苏平1,肖琳1,张华2,白立晓1
(1.南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌330031;2.南昌大学机电工程学院,江西南昌330031)
摘要:在普通瓦特电镀液中添加稀土镧元素在石英光纤表面化学镀Ni-P涂层上续镀厚镍。考察了氧化镧对镍沉积速率、电流效率、镀层组成、晶粒尺寸、组织结构以及其他物理性能的影响。用扫描电镜观察镀层表面和断面形貌;用能谱仪和等离子发射光谱仪测定镀层元素和组成。结果表明,在瓦特镀液中添加1.5g·L-1的氧化镧后,提高了镍沉积速率和电流效率,改善了厚镍镀层质量,使制备的镀层(厚约750μm)具有晶粒细小、结构致密,高硬度、强附着力、低电阻、高密度和良好的可焊性等性能。镍沉积速率、电流效率、致密度和显微硬度分别由14.2μm·h-1,90.8%,93%和281HV提高至15.2μm·h-1,97.9%,98%和337HV。平均晶粒尺寸、电阻率和润湿时间分别由12μm,27μΩ·cm和5~6s降至1.5μm,23μΩ·cm和2~3s。
关键词:电镀;石英光纤;镍-磷合金;镍
中图分类号:O643.3;TQ153.3;TQ028.8 文献标识码:A
文章编号:0258-7076(2010)02-0231-06
由石英光纤制成的光纤Bragg光栅传感器(FBGS)可以直接检测温度和应变以及与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。与普通光纤传感器相比,它具有探头尺寸小、耦合损耗小、抗干扰能力强、测量对象广泛、易于与光纤结合、构成传感网络、实现多参数测量等独特的优点,近年来在结构状态检测、电力工业、能源化工等领域中的应用取得了长足的进展。将光纤Bragg光栅焊接于金属内部,可方便测量金属内部的应力和应变等物理性能。而要使其与金属牢固焊接并确保焊接时不受损坏,必须在光纤表面镀上一层厚约0.7~1.0mm的金属层,以赋予其良好的金属焊接性能。石英光纤主要成分是SiO2,属非金属材料,因此一般先采用化学镀方法在裸光纤表面镀上一层较薄的金属镀层(如Ni基合金),使其表面实现金属化,然后在此镀层上继续电镀一层较厚的金属镀层(如N,iAu等),以满足焊接要求。稀土元素因具有较大的原子半径和特殊的电子结构而拥有良好的物理、化学、电、磁和光学性能,在化学镀、电镀和其他金属化合物材料制备过程中有着极为广泛的用途。将适宜种类和适量稀土元素添加到相应的电镀液中,可获得改善镀液的分散能力,提高电流效率、金属沉积速率、镀层硬度和耐腐蚀性,细化晶粒、提高组织致密度和改善镀层表面润湿性能等功效。石英光纤为细长、轻脆、易断、难镀的非金属材料,适当改进现行的电镀工艺,对在石英光纤表面制备性能优良的金属镀层具有重要的意义。本实验在石英光纤表面成功化学镀上Ni-P涂层的前期工作基础上,采用在传统的瓦特电镀液中添加稀土镧的技术在Ni-P涂层表面续镀厚镍,重点考察镧对镍沉积速率、电流效率、晶粒细化、结构致密程度、镀层硬度、附着力和电阻率等性能的影响。
1 实验
1.1 原材料
氧化镧(La2O3):99.9%,江西省稀土研究所;六水合硫酸镍(NiSO4·6H2O):≥98.5%,上海恒信化学试剂有限公司;无水硫酸钠(Na2SO4):分析纯,≥99%,上海试剂一厂;氯化钠(NaCl):≥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)不少于59%,上海青析化工科技有限公司;硼酸(H3BO3):≥99.5%,上海申博化工有限公司;化学镀Ni-P石英光纤:自制。
1.2 仪器和设备
扫描电镜(SEM):HITACHI-S-3000N,日本日立;等离子发射光谱仪(ICP-AES,美国PE公司);能谱仪:7021-H,日本日立(探头,英国剑桥大学);数字式智能显微硬度计:HXS-1000A,上海尚光显微镜有限公司;金相镶嵌机:XQ-2,上海日用电机厂。
1.3 电镀实验装置
光纤电镀厚镍的实验装置如图1所示。图1中以化学镀Ni-P的光纤为阴极,镀前用蒸馏水清洗及干燥。镍阳极先用30%的NaOH溶液去除油污,再用10%H2SO4溶液中和,然后用蒸馏水洗净。
由于制备的厚镍镀层被焊接在金属的内部,因此对镀层表面光亮度没有高的要求,本实验采用传统的暗镍镀镀液(瓦特镀液)[13]进行施镀。基础瓦特镀液的组成和施镀工艺条件是NiSO4·6H2O(cA),180g·L-1,Na2SO4(cB),60g·L-1,NaCl(cC),9g·L-1,pH=5.2;C12H25OSO3Na(cD),0.07g·L-1;H3BO3(cE),32g·L-1,电渡液温度25℃,电流密度0.7A·dm-2。将质量浓度(cF)分别为0,0.5,1.0,1.5和2.0g·L-1的固体La2O3分别用1mol·L-1的盐酸溶解后加入到基础瓦特镀液中。
1.4 表征和测定
电镀镀层表面和截面形貌采用扫描电镜观察;镀层组成用能谱仪和等离子发射光谱仪测定;镀层硬度用金相镶嵌机和数字式智能显微硬度计测定;镀层附着力采用热震法(ThermalShockMeth-od,缩写为TST)测定:将样品在加热炉中于250℃下放置1h取出后,于0℃(冰水混合物)下淬火,观察镀层是否有起泡和剥落现象发生;镍沉积速率由厚度测量法测定,用下式表示:
式中:v为Ni沉积速率,μm·h-1;b1, b2分别为被镀光纤电镀前后的厚度,μm;τ为电镀时间, h;镀层厚度用千分卡测量;镀层致密度(本文中定义其为镀层的实际密度(实测)与理论密度的比值)由称重法测定和计算,用下式表示:
式中:为镀层致密度, %;m1, m2为分别为被镀光纤电镀前后的重量, g;d1, d2分别为被镀光纤电镀前后的直径, cm;L为被镀光纤的长度, cm;8. 91为纯镍的理论密度, g·cm-3;电流效率由下式计算
式中η为电流效率,%;I为电流,A;K为阴极沉积的电化学当量,K=1.095g·A-1·h-1,τ为电镀时间。镀层可焊性采用润湿时间法(WettingTimeMethod,缩写为WTM)测定:将10个相同的样品浸入由质量分数为25%的松香和75%的异丙醇熔化而成的焊料中(250℃下),经不同时间(1,2,3,4,5,6,7,8,9和10s)后分别取出,观察镀层表面完全润湿所需的时间,时间越短,则可焊性越好。
