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肖正強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)機電工程學(xué)院，江西南昌330031)
摘要：采用響應(yīng)面法對石英光纖表面Ni–P–B預(yù)鍍層上電鍍厚鎳進行了研究。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)值的二次多項式模型，其預(yù)測值與實驗值吻合度較好。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24.43μm/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，其顆粒均勻細小，致密度高，具有良好的導(dǎo)電和焊接性能。
關(guān)鍵詞：石英光纖;鎳–磷–硼合金;電鍍鎳;響應(yīng)面法
中圖分類號：TQ153.12;TQ153.3文獻標(biāo)志碼：A
文章編號：1004–227X(2011)12–0009–04
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)鍍在裸光纖表面預(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(responsesurface methodology，RSM)將數(shù)學(xué)方法與統(tǒng)計方法有機結(jié)合，用于對感興趣的響應(yīng)(即目標(biāo)函數(shù))受多個變量影響的問題進行建模和分析，從而實現(xiàn)對該響應(yīng)的優(yōu)化，具有試驗次數(shù)少、精度高、預(yù)測性好、善于體現(xiàn)因素之間交互作用等優(yōu)點[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)鍍層上進行了電鍍厚鎳的研究，重點在于工藝過程參數(shù)的優(yōu)化，鎳沉積速率方程的建立，以及鎳鍍層的表征。
2·實驗
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)≥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，上海日用電機廠;HXS-1000A型數(shù)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(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)面實驗設(shè)計
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)計四因素三水平共29個試驗點(5個中心點)的響應(yīng)面試驗。
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(shù)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。
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)面試驗方案和結(jié)果見表2。
3.1模型及其方差分析
利用Design-Expert 7.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到鎳沉積速率(Y)的預(yù)測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)方差來源中各項對響應(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，其相應(yīng)的項對響應(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0.967 2，說明模型的精確度較高，可用于預(yù)測不同工藝條件下的鎳沉積速率。
3.2響應(yīng)面分析
圖1反映了以鎳沉積速率為響應(yīng)值時，各兩兩因素交互作用對響應(yīng)值的影響。由圖1可見，各兩兩因素交互作用對響應(yīng)值的影響均呈橢圓形狀。根據(jù)長軸邊指向的因素對響應(yīng)值的影響大于短軸邊指向的因素，可知各因素對響應(yīng)值影響的順序為X1>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。
3.3工藝優(yōu)化
利用Design-Expert 7.0軟件，對鎳沉積速率的二次多項式模型解逆矩陣[13]，得4個因素的最優(yōu)值分別為Aρ=220g/L、Bρ=0.08g/L、Cρ=0.9g/L和j=1.0A/dm2，此時鎳沉積速率(v)的最大預(yù)測值為24.42μm/h。該組合在響應(yīng)面方案表中未出現(xiàn)，通過在該條件下補做3次平行試驗，測得鎳沉積速率值分別為24.46、24.39和24.44μm/h，平均值為24.43μm/h，與預(yù)測值十分接近。
3.4模型驗證
實驗值與模型預(yù)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(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)組合的實驗值與模型預(yù)測值的相對誤差(絕對值)均小于5%，說明模型預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的吻合度。
3.5鍍層表征和測試
實驗發(fā)現(xiàn)，在所有試驗組合中，試驗號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843μm)晶粒均勻細小，形如球狀，橫截面上無明顯孔洞。經(jīng)熱震法測試，鍍層均無明顯起泡和剝落現(xiàn)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、18μΩ·cm、98%和2 s，說明其導(dǎo)電和焊接性能良好。
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)值的二次多項式模型，模型計算值與實驗值具有較好的吻合度，可用于預(yù)測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，獲得最大鎳鍍速為24.43μm/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(試驗號27)，獲得最好的鎳鍍層質(zhì)量(此時鎳鍍速為16.6μm/h)，其顆粒均勻細小，致密性很高，具有良好的導(dǎo)電和焊接性能。
參考文獻：略
