CN104152901B

CN104152901B - 将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法

Info

Publication number: CN104152901B
Application number: CN201410381229.4A
Authority: CN
Inventors: 李玉龙; 温昌金
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2034-08-05
Also published as: CN104152901A

Abstract

一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，先将光纤光栅进行化学镀结合电镀对其进行金属化保护，然后采用化学镀结合电镀的方法将光纤光栅嵌入到已在金属基体表面加工的半圆形凹槽内。其中，化学镀电镀前均分别将金属板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，通过控制电镀时间，使光纤光栅完全嵌入金属基体。对嵌入光纤光栅部分多余凸起的电镀层进行打磨，使其形成完整平面，金属板恢复加工半圆形凹槽之前的形貌。本发明采用的化学镀结合电镀的方法是在常温或低温下进行的，对光纤光栅在嵌入过程中的损坏小；嵌入基体后的光纤光栅抗高温、抗弯折的能力得到提高，为智能结构的广泛应用提供了技术支持。

Description

将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法

技术领域

本发明涉及一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法。

背景技术

智能结构是具有感知基体结构内部或外部变化，是将传感、驱动元件和控制系统集成在基体中的一类结构。目前智能结构的主要研究方向是通过制造技术将传感器、处理器和制动器嵌入基体构件中以实现结构智能化。光纤光栅作为一种新型无源传感器，可以用作温度、压力、应变等物理量的测量。因其具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、不受光强波动影响等诸多优点，因此将光纤光栅作为传感器嵌入金属基体是一种具有实用价值的制造智能结构的方法。目前对将传感器嵌入金属基体的研究存在一些难题，例如，大部分传感器采用胶粘在被监测结构表面，由于粘贴所用的有机胶存在易老化、高温失效等问题，导致其封装的传感器的工程可靠性差。采用烧结等高温的方法将光纤光栅嵌入金属基体过程，光纤光栅易受热损坏，且高温热过程对基体强度有明显削弱影响。在重要结构件中嵌入，或表面封装传感器进行实时监测有助于监测结构健康，因此在常温或较低温度下将光纤光栅嵌入金属的方法具有重要意义。目前尚未有采用化学镀结合电镀的方法将光纤光栅嵌入金属基体的有关研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，它制造的智能金属结构具有传感器嵌入成功率高、易操作，对金属基体削弱作用小，嵌入过程对传感器影响小，所得智能结构使用温度范围广，可在较高温度下服役等特点。

本发明所述方法包括以下步骤：

(1)取一根光纤光栅，光纤光栅成栅部分为裸光栅,表面无任何保护层；在25～35℃温度下对其在敏化液中进行敏化，再在活化液中活化，时间分别为10～20min；然后对其化学镀后进行电镀，根据金属材料的结构尺寸确定镀层厚度为20-50μm；

所述化学镀层和电镀层分别是铜镀层或镍镀层；

(2)取一块矩形金属板,在需要嵌入光纤光栅的表面铣削一条直径为0.5-1.0mm半圆形凹槽；

(3)对已加工半圆形凹槽的金属板进行镀前预处理，将金属板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，将金属化光纤光栅的光栅部位放入半圆形凹槽,并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与金属板紧密结合固定在一起，之后将金属板水平放置在装有化学镀液的容器里,半圆形凹槽朝上，化学镀是化学镀铜或化学镀镍，用恒温水箱根据不同镀层的化学镀工艺设定控制化学镀环境温度：化学镀铜温度为20～30℃；化学镀镍温度为85～90℃，化学镀时间为3～6h，形成厚度为5～8μm的化学镀层，使光纤光栅与金属板紧密结合固定并连通导电；

(4)将化学镀后的金属板取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在金属板无需镀层的表面，进行电镀铜或电镀镍，根据不同镀层的电镀工艺设定电流大小：电镀铜温度为20～30℃，电流大小为1～3mA；电镀镍温度为18～45℃，电流大小为6～8mA，电镀时间20～30h，使光纤光栅完全嵌入金属基体；

(5)对嵌入光纤光栅部分凸起的电镀层进行打磨，使其形成完整平面，金属板恢复铣削半圆形凹槽之前的形貌。

本发明中所涉及的敏化液配方为：SnCl₂·2H₂O为10g/L，HCl为40mL/L。

本发明中所涉及的活化液配方为：PdCl₂为0.1～0.5g/L，HCl为5mL/L。

本发明中所涉及的化学镀铜溶液配方为：CuSO₄·5H₂O为10g/L，NaKC₄H₄O₆·5H₂O为40g/L，Na₂CO₃为2g/L，NiCl₂·H₂O为1g/L，HCHO为20mL/L，NaOH为8～10g/L。

本发明中所涉及的化学镀镍溶液配方为：NiSO₄·7H₂O为25g/L，H₃BO₃为20g/L，C₃H₆O₂为20mL/L，NaH₂PO₂·2H₂O为20～25g/L。

本发明中所涉及的电镀铜溶液配方为：CuSO₄为250g/L，葡萄糖为40g/L，H₂SO₄为70g/L。

本发明中所涉及的电镀镍溶液配方为：NiSO₄·7H₂O为280g/L，NiCl₂·6H₂O为850g/L，H₃BO₃为358g/L，C₁₂H₂₅SO₄Na为0.05-0.1g/L。

本发明的技术效果是：本发明将金属化的光纤光栅通过化学镀结合电镀的方法嵌入金属基体，操作简单，对光纤光栅损坏小，适用于适用于各种结构，且对基体的削弱作用小，使金属结构能够感知工况下的温度、应力应变的实时变化。传感器的嵌入过程对金属基体的削弱作用小，特别是嵌入过程不涉及高温加工，对光纤光栅的传感特性几乎无影响，这样的智能金属结构非常适合工业应用，可以在恶劣的工况环境下长时间工作。

附图说明

图1为光纤光栅和金属铜板的化学镀装置示意图；

图2为光纤光栅和金属铜板的电镀装置示意图；

图3为实施例1嵌入光纤光栅的智能金属的温度传感特性曲线；

图4为实施例2嵌入光纤光栅的智能金属的温度传感特性曲线；

图5为实施例3嵌入光纤光栅的智能金属的温度传感特性曲线；

图中：1化学镀液；2恒温水箱；3金属基体；4光纤光栅；5电镀正极金属铜板；6电镀液；7电镀电源；8夹持架。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明:

实施例1：(1)取一根光纤光栅(中心波长为1540.032nm)，光栅成栅部分为裸光栅,表面无任何保护层，按敏化液配方(SnCl₂·2H₂O为10g/L；HCl为40mL/L)、活化液配方(PdCl₂为0.5g/L；HCl为5mL/L)分别配制敏化液、活化液，在25℃温度下对其进行敏化后活化，时间分别为15min、20min；然后在90℃温度时进行化学镀镍，再在25℃温度时进行电镀镍，电流大小为6mA，电镀时间为20h，使其金属化层厚度20μm；(2)制备一块金属铜板,在需要嵌入光纤光栅的表面铣削一条直径为0.5mm半圆形凹槽；(3)如图1，对已加工半圆形凹槽的金属铜板进行镀前预处理，将金属铜板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，将表面镀镍的光纤光栅的光栅部位放入半圆形凹槽,并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与金属铜板紧密结合固定，按化学镀铜溶液配方(CuSO₄·5H₂O为10g/L；NaKC₄H₄O₆·5H₂O为40g/L；Na₂CO₃为2g/L；NiCl₂·H₂O为1g/L；HCHO为20mL/L；NaOH为10g/L)配制化学镀铜溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀铜溶液中,半圆形凹槽朝上，在温度为25℃时进行化学镀铜，时间为5h，形成厚度为5μm的化学镀层，使光纤光栅与金属铜板紧密结合固定并连通导电，为进一步电镀做好准备；(4)将化学镀铜后的金属铜板取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在金属铜板无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方(NiSO₄·7H₂O为280g/L；NiCl₂·6H₂O为850g/L；H₃BO₃为358g/L；C₁₂H₂₅SO₄Na为0.1g/L)配制电镀镍溶液，在温度为25℃时进行电镀镍，如图2所述，电流为8mA，电镀时间20h，直到镀层覆盖半圆形凹槽，使光纤光栅完全嵌入金属基体。附图3为将光纤光栅嵌入金属基体后的温度灵敏度拟合曲线。

实施例2：(1)取一根光纤光栅(中心波长为1540.027nm)，光栅成栅部分为裸光栅,表面无任何保护层，按敏化液配方(SnCl₂·2H₂O为10g/L；HCl为40mL/L)、活化液配方(PdCl₂为0.5g/L；HCl为5mL/L)分别配制敏化液、活化液，在25℃温度下对其进行敏化后活化，时间分别为20min；然后在90℃温度时进行化学镀镍，再在25℃温度时进行电镀镍，电流大小为6mA，电镀时间为25h，使其金属化层厚度40μm；(2)制备一块金属铜板,在需要嵌入光纤光栅的表面铣削一条直径为0.8mm半圆形凹槽；(3)如图1，对已加工半圆形凹槽的金属铜板进行镀前预处理，将金属铜板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，将表面镀镍的光纤光栅的光栅部位放入半圆形凹槽,并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与金属铜板紧密结合固定，按化学镀铜溶液配方(CuSO₄·5H₂O为10g/L；NaKC₄H₄O₆·5H₂O为40g/L；Na₂CO₃为2g/L；NiCl₂·H₂O为1g/L；HCHO为20mL/L；NaOH为10g/L)配制化学镀铜溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀铜溶液中,半圆形凹槽朝上，在温度为25℃时进行化学镀铜，时间为6h，形成厚度为6μm的化学镀层，使光纤光栅与金属铜板紧密结合固定并连通导电，为进一步电镀做好准备；(4)将化学镀铜后的金属铜板取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在金属铜板无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方(NiSO₄·7H₂O为280g/L；NiCl₂·6H₂O为850g/L；H₃BO₃为358g/L；C₁₂H₂₅SO₄Na为0.1g/L)配制电镀镍溶液，在温度为25℃时进行电镀镍，如图2所述，电流为7mA，电镀时间25h，直到镀层覆盖半圆形凹槽，使光纤光栅完全嵌入金属基体。附图4为将光纤光栅嵌入金属基体后的温度灵敏度拟合曲线。实施例3：(1)取一根光纤光栅(中心波长为1540.015nm)，光栅成栅部分为裸光栅,表面无任何保护层，按敏化液配方(SnCl₂·2H₂O为10g/L；HCl为40mL/L)、活化液配方(PdCl₂为0.5g/L；HCl为5mL/L)分别配制敏化液、活化液，在25℃温度下对其进行敏化后活化，时间分别为20min；然后在90℃温度时进行化学镀镍，再在25℃温度时进行电镀镍，电流大小为6mA，电镀时间为28h，使其金属化层厚度50μm；(2)制备一块金属铜板,在需要嵌入光纤光栅的表面铣削一条直径为1.0mm半圆形凹槽；(3)如图1，对已加工半圆形凹槽的金属铜板进行镀前预处理，将金属铜板无需镀层的表面粘上绝缘胶布，将表面镀镍的光纤光栅的光栅部位放入半圆形凹槽,并用胶布把光纤光栅的尾纤一侧靠近半圆形凹槽部分与金属铜板紧密结合固定，按化学镀铜溶液配方(CuSO₄·5H₂O为10g/L；NaKC₄H₄O₆·5H₂O为40g/L；Na₂CO₃为2g/L；NiCl₂·H₂O为1g/L；HCHO为20mL/L；NaOH为10g/L)配制化学镀铜溶液，再将金属铜板水平放置于化学镀铜溶液中,半圆形凹槽朝上，在温度为25℃时进行化学镀铜，时间为7h，形成厚度为8μm的化学镀层，使光纤光栅与金属铜板紧密结合固定并连通导电，为进一步电镀做好准备；(4)将化学镀铜后的金属铜板取出，取下绝缘胶布，换新的绝缘胶布重新粘在金属铜板无需镀层的表面，按电镀镍溶液配方(NiSO₄·7H₂O为280g/L；NiCl₂·6H₂O为850g/L；H₃BO₃为358g/L；C₁₂H₂₅SO₄Na为0.1g/L)配制电镀镍溶液，在温度为25℃时进行电镀镍，如图2所述，电流为6mA，电镀时间30h，直到镀层覆盖半圆形凹槽，使光纤光栅完全嵌入金属基体。附图5为将光纤光栅嵌入金属基体后的温度灵敏度拟合曲线。

Claims

1.一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：

所述化学镀层和电镀层分别是铜镀层或镍镀层；

2.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述敏化液配方为：SnCl₂·2H₂O为10g/L，HCl为40mL/L。

3.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述活化液配方为：PdCl₂为0.1～0.5g/L，HCl为5mL/L。

4.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述化学镀铜溶液配方为：CuSO₄·5H₂O为10g/L，NaKC₄H₄O₆·5H₂O为40g/L，Na₂CO₃为2g/L，NiCl₂·H₂O为1g/L，HCHO为20mL/L，NaOH为8～10g/L。

5.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述化学镀镍溶液配方为：NiSO₄·7H₂O为25g/L，H₃BO₃为20g/L，C₃H₆O₂为20mL/L，NaH₂PO₂·2H₂O为20～25g/L。

6.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述电镀铜溶液配方为：CuSO₄为250g/L，葡萄糖为40g/L，H₂SO₄为70g/L。

7.根据权利要求1所述的一种将光纤光栅嵌入金属基体制成耐高温智能金属结构的方法，其特征是：所述电镀镍溶液配方为：NiSO₄·7H₂O为280g/L，NiCl₂·6H₂O为850g/L，H₃BO₃为358g/L，C₁₂H₂₅SO₄Na为0.05-0.1g/L。