肖正強(qiáng)，蔣柏泉，張華

（1.江西省科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031；3.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

石英光纖表面鎳–磷–硼預(yù)鍍層上電鍍厚鎳的響應(yīng)面法研究

肖正強(qiáng)1，蔣柏泉2,*，張華3

（1.江西省科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031；3.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

采用響應(yīng)面法對(duì)石英光纖表面Ni–P–B預(yù)鍍層上電鍍厚鎳進(jìn)行了研究。建立了以六水合硫酸鎳質(zhì)量濃度、十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度、氧化鑭質(zhì)量濃度和電流密度為因變量，以鎳沉積速率為響應(yīng)值的二次多項(xiàng)式模型，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好。在六水合硫酸鎳質(zhì)量濃度為220 g/L，十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質(zhì)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(zhì)量濃度為180 g/L，十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度為0.08 g/L，氧化鑭質(zhì)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(zhì)量最好，其顆粒均勻細(xì)小，致密度高，具有良好的導(dǎo)電和焊接性能。

石英光纖；鎳–磷–硼合金；電鍍鎳；響應(yīng)面法

1 前言

石英光纖(Quartz optical fiber，縮寫為QOF)是良好的光導(dǎo)體材料[1]。將石英光纖制備的Bragg光柵焊接于金屬內(nèi)部，可方便和準(zhǔn)確地測(cè)量金屬內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)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(dāng)厚度的金屬層，一般先采用化學(xué)鍍?cè)诼愎饫w表面預(yù)鍍一層較薄的金屬[2-5]，再在預(yù)鍍層上電鍍一層較厚的金屬鍍層。響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)將數(shù)學(xué)方法與統(tǒng)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合，用于對(duì)感興趣的響應(yīng)(即目標(biāo)函數(shù))受多個(gè)變量影響的問題進(jìn)行建模和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該響應(yīng)的優(yōu)化，具有試驗(yàn)次數(shù)少、精度高、預(yù)測(cè)性好、善于體現(xiàn)因素之間交互作用等優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來，響應(yīng)面法已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(xué)鍍工藝過程的研究卻很少報(bào)道[9]。本文在采用化學(xué)鍍于石英光纖表面成功預(yù)鍍上Ni–P–B薄層的前期工作[10-11]基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法在Ni–P–B預(yù)鍍層上進(jìn)行了電鍍厚鎳的研究，重點(diǎn)在于工藝過程參數(shù)的優(yōu)化，鎳沉積速率方程的建立，以及鎳鍍層的表征。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 原材料

六水合硫酸鎳(NiSO4·6H2O)，w ≥98.5%，上海恒信化學(xué)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(xué)試劑廠；十二烷基硫酸鈉(C12H25OSO3Na)，含醇量(以干粉計(jì))≥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(yù)鍍石英光纖，自制；陽極材料為鎳管。

2. 2 主要儀器和設(shè)備

千分卡，東莞市歐迪電子有限公司；101-A-1型溫度數(shù)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(jī)，上海日用電機(jī)廠； HXS-1000A型數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)，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(yù)處理

將剛化學(xué)鍍 Ni–P–B的石英光纖用蒸餾水清洗后干燥。鎳管先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鈉溶液除油，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇六水合硫酸鎳、十二烷基硫酸鈉和氧化鑭的質(zhì)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(shè)計(jì)四因素三水平共 29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(5個(gè)中心點(diǎn))的響應(yīng)面試驗(yàn)。

表1 四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of response surface test with four factors at three levels

2. 4 測(cè)試和表征

鍍層厚度用千分卡測(cè)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(jī)和數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)測(cè)定；鍍層附著力和可焊性分別采用熱震法(TST)和潤濕時(shí)間法測(cè)定[12]；電阻率用萬用表測(cè)定；鍍層致密度定義為實(shí)測(cè)鍍層密度與理論鍍層密度之比；鎳沉積速率由厚度測(cè)量法測(cè)定，并用式(1)計(jì)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(shí)間，h。

3 結(jié)果與討論

以鎳沉積速率為響應(yīng)值(目標(biāo)函數(shù))，四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果(實(shí)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(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到鎳沉積速率(Y)的預(yù)測(cè)值與六水合硫酸鎳質(zhì)量濃度(X1)、十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度(X2)、氧化鑭質(zhì)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(nèi)方差來源中各項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值的影響，可由概率P值(Prob ＞F)來判斷，當(dāng)P值小于0.05時(shí)，其相應(yīng)的項(xiàng)對(duì)響應(yīng)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(xiàng)是不顯著的(P = 0.055 8 ＞0.050 0)，回歸模型的決定系數(shù)(R2)高達(dá)0.967 2，說明模型的精確度較高，可用于預(yù)測(cè)不同工藝條件下的鎳沉積速率。

3. 2 響應(yīng)面分析

圖1 鎳鍍速的響應(yīng)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(yīng)值時(shí)，各兩兩因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。由圖1可見，各兩兩因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響均呈橢圓形狀。根據(jù)長軸邊指向的因素對(duì)響應(yīng)值的影響大于短軸邊指向的因素，可知各因素對(duì)響應(yīng)值影響的順序?yàn)閄1＞ X2＞ X4＞X3，即六合水硫酸鎳質(zhì)量濃度 ＞ 十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度 ＞ 電流密度 ＞ 氧化鑭質(zhì)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(shí)鎳沉積速率(v)的最大預(yù)測(cè)值為24.42 μm/h。該組合在響應(yīng)面方案表中未出現(xiàn)，通過在該條件下補(bǔ)做3次平行試驗(yàn)，測(cè)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(yù)測(cè)值十分接近。

3. 4 模型驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值及其相對(duì)誤差分別列于表 2中的最后3列。由該3列數(shù)據(jù)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(shù)組合的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差(絕對(duì)值)均小于5%，說明模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合度。

3. 5 鍍層表征和測(cè)試

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在所有試驗(yàn)組合中，試驗(yàn)號(hào)27條件下制得的樣品的鍍層質(zhì)量比其他樣品都好。圖2是試驗(yàn)號(hào)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(xì)小，形如球狀，橫截面上無明顯孔洞。

A經(jīng)熱震法測(cè)試，鍍層均無明顯起泡和剝落現(xiàn)象發(fā)生。此外，測(cè)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(shí)間分別為618 HV、18 μ?·cm、98%和2 s，說明其導(dǎo)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F(xiàn)igure 2 SEM images of surface and cross-section of nickel coating

4 結(jié)論

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

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

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

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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

國家“973”項(xiàng)目“光纖智能金屬結(jié)構(gòu)熔焊快速制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究”（2005cca04300）。

肖正強(qiáng)（1973–），男，江西人，助理研究員，研究方向?yàn)榛ず捅砻嫘虏牧稀?/p>

蔣柏泉，教授，(E-mail) jbq_win@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]