石英光纖表面鎳–磷–硼預鍍層上電鍍厚鎳的響應面法研究

肖正強，蔣柏泉，張華

（1.江西省科學院，江西 南昌 330029；2.南昌大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031；3.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）

石英光纖表面鎳–磷–硼預鍍層上電鍍厚鎳的響應面法研究

肖正強1，蔣柏泉2,*，張華3

（1.江西省科學院，江西 南昌 330029；2.南昌大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031；3.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）

采用響應面法對石英光纖表面Ni–P–B預鍍層上電鍍厚鎳進行了研究。建立了以六水合硫酸鎳質量濃度、十二烷基硫酸鈉質量濃度、氧化鑭質量濃度和電流密度為因變量，以鎳沉積速率為響應值的二次多項式模型，其預測值與實驗值吻合度較好。在六水合硫酸鎳質量濃度為220 g/L，十二烷基硫酸鈉質量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質量濃度為0.9 g/L和電流密度為1.0 A/dm2的條件下，獲得最大鎳沉積速率為24.43 μm/h；在六水合硫酸鎳質量濃度為180 g/L，十二烷基硫酸鈉質量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質量濃度為0.9 g/L和電流密度為0.8 A/dm2的條件下，所得鎳鍍層的質量最好，其顆粒均勻細小，致密度高，具有良好的導電和焊接性能。

石英光纖；鎳–磷–硼合金；電鍍鎳；響應面法

1 前言

石英光纖(Quartz optical fiber，縮寫為QOF)是良好的光導體材料[1]。將石英光纖制備的Bragg光柵焊接于金屬內部，可方便和準確地測量金屬內部的應力、應變等物理性能。石英光纖為非金屬材料，為滿足焊接要求，必須在其表面制備適當厚度的金屬層，一般先采用化學鍍在裸光纖表面預鍍一層較薄的金屬[2-5]，再在預鍍層上電鍍一層較厚的金屬鍍層。響應面法(response surface methodology，RSM)將數學方法與統計方法有機結合，用于對感興趣的響應(即目標函數)受多個變量影響的問題進行建模和分析，從而實現對該響應的優(yōu)化，具有試驗次數少、精度高、預測性好、善于體現因素之間交互作用等優(yōu)點[6]。近年來，響應面法已經被廣泛應用于天然植物中有效食用和藥用成分提取工藝的優(yōu)化[7-8]，但其用于電鍍和化學鍍工藝過程的研究卻很少報道[9]。本文在采用化學鍍于石英光纖表面成功預鍍上Ni–P–B薄層的前期工作[10-11]基礎上，采用響應面法在Ni–P–B預鍍層上進行了電鍍厚鎳的研究，重點在于工藝過程參數的優(yōu)化，鎳沉積速率方程的建立，以及鎳鍍層的表征。

2 實驗

2. 1 原材料

六水合硫酸鎳(NiSO4·6H2O)，w ≥98.5%，上海恒信化學試劑有限公司；無水硫酸鈉(Na2SO4)，分析純，w ≥99%，上海試劑一廠；氯化鈉(NaCl)，w ≥99.5%，天津市大茂化學試劑廠；十二烷基硫酸鈉(C12H25OSO3Na)，含醇量(以干粉計)≥59%，上海青析化工科技有限公司；氧化鑭(La2O3)，w ≥99.9%，江西省稀土研究所；陰極材料為 Ni–P–B預鍍石英光纖，自制；陽極材料為鎳管。

2. 2 主要儀器和設備

千分卡，東莞市歐迪電子有限公司；101-A-1型溫度數顯干燥箱，上海市儀器總廠；WYJ- 201型晶體管穩(wěn)壓電源，埠陽無線電廠；S-3000N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；XQ-2型金相鑲嵌機，上海日用電機廠； HXS-1000A型數字式智能顯微硬度計，上海尚光顯微鏡有限公司。

2. 3 工藝過程

2. 3. 1 電極材料的預處理

將剛化學鍍 Ni–P–B的石英光纖用蒸餾水清洗后干燥。鎳管先用質量分數為30%的氫氧化鈉溶液除油，然后用質量分數為 10%的硫酸溶液中和，最后用蒸餾水洗凈。

2. 3. 2 鍍液組成和工藝條件

2. 3. 3 響應面實驗設計

選擇六水合硫酸鎳、十二烷基硫酸鈉和氧化鑭的質量濃度以及電流密度為考察因素，利用Design-Expert 7.0 軟件中的Box-Behnken方法，按表1所示的因素水平表設計四因素三水平共 29個試驗點(5個中心點)的響應面試驗。

表1 四因素三水平響應面試驗設計Table 1 Design of response surface test with four factors at three levels

2. 4 測試和表征

鍍層厚度用千分卡測量；鍍層表面形貌采用掃描電鏡觀察；鍍層硬度采用金相鑲嵌機和數字式智能顯微硬度計測定；鍍層附著力和可焊性分別采用熱震法(TST)和潤濕時間法測定[12]；電阻率用萬用表測定；鍍層致密度定義為實測鍍層密度與理論鍍層密度之比；鎳沉積速率由厚度測量法測定，并用式(1)計算。

式(1)中：v為Ni 沉積速率，μm/h；δ1和δ2分別為光纖電鍍前后的厚度，μm；t為電鍍時間，h。

3 結果與討論

以鎳沉積速率為響應值(目標函數)，四因素三水平響應面試驗方案和結果見表2。

表2 試驗結果(實際值)Table 2 Test results (actual values)

3. 1 模型及其方差分析

利用Design-Expert 7.0軟件對表2數據進行二次多元回歸擬合，得到鎳沉積速率(Y)的預測值與六水合硫酸鎳質量濃度(X1)、十二烷基硫酸鈉質量濃度(X2)、氧化鑭質量濃度(X3)和電流密度(X4)為變量的二次回歸方程為：

模型方差分析表(見表 3)內方差來源中各項對響應值的影響，可由概率P值(Prob ＞F)來判斷，當P值小于0.05時，其相應的項對響應值的影響為顯著，否則為不顯著。由表 3可知，鎳沉積速率的回歸模型是顯著的(P ＜0.000 1 ＜0.050 0)，失擬項是不顯著的(P = 0.055 8 ＞0.050 0)，回歸模型的決定系數(R2)高達0.967 2，說明模型的精確度較高，可用于預測不同工藝條件下的鎳沉積速率。

3. 2 響應面分析

圖1 鎳鍍速的響應面和等高線圖Figure 1 Plots of response surfaces and contours for nickel deposition rate

圖1反映了以鎳沉積速率為響應值時，各兩兩因素交互作用對響應值的影響。由圖1可見，各兩兩因素交互作用對響應值的影響均呈橢圓形狀。根據長軸邊指向的因素對響應值的影響大于短軸邊指向的因素，可知各因素對響應值影響的順序為X1＞ X2＞ X4＞X3，即六合水硫酸鎳質量濃度 ＞ 十二烷基硫酸鈉質量濃度 ＞ 電流密度 ＞ 氧化鑭質量濃度。ρ= 220 g/L、ρB= 0.08 g/L、ρC= 0.9 g/L和j = 1.0 A/dm2，此時鎳沉積速率(v)的最大預測值為24.42 μm/h。該組合在響應面方案表中未出現，通過在該條件下補做3次平行試驗，測得鎳沉積速率值分別為 24.46、24.39和24.44 μm/h，平均值為24.43 μm/h，與預測值十分接近。

3. 4 模型驗證

實驗值與模型預測值及其相對誤差分別列于表 2中的最后3列。由該3列數據可知，29組不同因素水平組合中，除組合1、3、9和21外，其余大多數組合的實驗值與模型預測值的相對誤差(絕對值)均小于5%，說明模型預測結果與實驗結果有較好的吻合度。

3. 5 鍍層表征和測試

實驗發(fā)現，在所有試驗組合中，試驗號27條件下制得的樣品的鍍層質量比其他樣品都好。圖2是試驗號為27的樣品表面和橫截面形貌的掃描電鏡照片。由圖2可知，在該工藝條件下制備的鎳鍍層(厚約843 μm)晶粒均勻細小，形如球狀，橫截面上無明顯孔洞。

A經熱震法測試，鍍層均無明顯起泡和剝落現象發(fā)生。此外，測得該鍍層的顯微硬度、電阻率、致密度和表面完全被焊錫潤濕的時間分別為618 HV、18 μ?·cm、98%和2 s，說明其導電和焊接性能良好。

圖2 鎳鍍層表面和橫截面的掃描電鏡照片Figure 2 SEM images of surface and cross-section of nickel coating

4 結論

(1) 建立了以六水合硫酸鎳質量濃度、十二烷基硫酸鈉質量濃度、氧化鑭質量濃度和電流密度為考察因素，以鎳鍍速為響應值的二次多項式模型，模型計算值與實驗值具有較好的吻合度，可用于預測不同工藝條件下的鎳沉積速率。

(2) 固定其他條件不變，當六水合硫酸鎳質量濃度為220 g/L，十二烷基硫酸鈉質量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質量濃度為0.9 g/L，電流密度為1.0 A/dm2時，獲得最大鎳鍍速為24.43 μm/h。

(3) 固定其他條件不變，當六水合硫酸鎳質量濃度為180 g/L，十二烷基硫酸鈉質量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質量濃度為0.9 g/L，電流密度為0.8 A/dm2時(試驗號 27)，獲得最好的鎳鍍層質量(此時鎳鍍速為16.6 μm/h)，其顆粒均勻細小，致密性很高，具有良好的導電和焊接性能。

[1] 李文宏, 楊振坤, 夏建生. 光纖布拉格光柵檢測技術及其應用[J]. 中國測試技術, 2003, 29 (1): 5-6, 22.

[2] 曠戈, 張濟宇, 鐘赟輝. 光纖表面金屬化工藝的研究[J]. 電鍍與環(huán)保, 2004, 24 (2): 32-34.

[3] PERET T J. Methods of metallizing non-conductive substrates and metallized non-conductive substrates formed thereby: US, 2005/014830A1 [P]. 2005–06–30.

[4] 李小甫, 姜德生, 余海湖, 等. 石英光纖表面化學鍍鎳磷合金工藝[J].化工學報, 2005, 56 (1): 126-129.

[5] 蔣柏泉, 李春, 白立曉, 等. 石英光纖表面化學鍍 Ni–P工藝研究及其表征[J]. 南昌大學學報(工科版), 2008, 30 (3): 205-208.

[6] THOMPSON D. Response surface experimentation [J]. Journal of Food Processing and Preservation, 1982, 6 (3): 155-188.

[7] 袁建, 李大川, 石嘉懌, 等. 響應面法優(yōu)化麥麩蛋白質和膳食纖維的提取工藝[J]. 食品科學, 2011, 32 (10): 25-30.

[8] 涂宗財, 毛沅文, 李志, 等. 野生藜蒿葉中黃酮類化合物的提取工藝[J].南昌大學學報(工科版), 2011, 33 (3): 234-238.

[9] 唐文華, 劉少友, 馬向軍, 等. 中心組合設計優(yōu)化鐵墊片的化學鍍鎳磷工藝[J]. 貴州化工, 2010, 35 (3): 7-9, 33.

[10] 蔣柏泉, 梅鑫東, 彭健, 等. 石英光纖表面化學鍍鎳–磷–硼合金工藝和表征[J]. 電鍍與涂飾, 2008, 27 (11): 14-17.

[11] 蔣柏泉, 肖琳, 彭健, 等. 石英光纖表面化學鍍Ni–P–B工藝及其動力學[J]. 南昌大學學報(理科版), 2008, 32 (5): 452-456.

[12] JIANG B Q, XIAO L, HU S F, et al. Optimization and kinetics of electroless Ni–P–B plating of quartz optical fiber [J]. Optical Materials, 2009, 31 (10): 1532-1539.

[13] 吳有煒. 試驗與數據處理[M]. 蘇州: 蘇州大學出版社, 2002: 135-142.

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

國家“973”項目“光纖智能金屬結構熔焊快速制造技術的基礎研究”（2005cca04300）。

肖正強（1973–），男，江西人，助理研究員，研究方向為化工和表面新材料。

蔣柏泉，教授，(E-mail) jbq_win@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]