專利名稱：Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光柵傳感器的制作方法，尤其是金屬結構健康監(jiān)測用 Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器的制作方法,屬于光纖傳感技術領域。
背景技術：
光纖光柵傳感器具有體積小、測量精度高、抗電磁干擾、長期穩(wěn)定性好及可實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，是長期惡劣環(huán)境下結構健康監(jiān)測的最佳傳感器。但裸光纖光柵直徑僅為125 μ m，抗剪能力差，容易折斷，在實際應用中需要對光纖光柵進行封裝，有效保護裸光纖光柵。目前通用的基片式和嵌入式封裝方法一般會使用聚合物與各種粘結劑， 因為聚合物的蠕變、老化等問題會影響光纖光柵的傳感特性。光纖纖芯的主要成分為SiO2, 其本身具有較高的耐高溫特性，但光纖涂敷層為聚合物，不耐高溫，另一方面，普通的光柵在500°C以上高溫條件下會破壞光柵的自身結構，所以必須對光柵進行特殊的金屬封裝處理，實現(xiàn)對光纖光柵的封裝及耐溫保護，另一方面提高光纖光柵的溫度傳感靈敏度。目前化學鍍領域經(jīng)常采用的化學鍍鎳法可用于各種基材鍍膜、鍍層厚度均勻、硬度高、耐磨耐腐，同時具有良好的可焊接性急電磁屏蔽性，可用于光纖光柵的表面金屬化封裝。但該法的鍍層厚度無法達到實際傳感器工程應用的強度要求。
發(fā)明內容
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器制作方法，不但可以提供足夠的強度與厚度，另一方面可提高光纖光柵的耐溫性及溫度傳感靈敏度。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是=Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器制作方法，其步驟如下(I)光纖光柵化學鍍鎳的前處理過程I)化學法去除保護層98%的濃硫酸浸泡10_30min，去除聚丙烯保護層，室溫內蒸懼水清洗10-30min ；2) 60°C下，在濃度20-40g/L NaOH內浸泡15_20min，然后60°C蒸餾水清洗 10_20min ；3)在 40%濃度的 HF H2SiF6 H2O = I I I. 5 的粗化液內粗化 10_30min ;4)放入120°C烘箱內熱處理20-40min ；5)室溫下，放入 SnCl2 · 2H20 :10_12g/L，HCl 40mL/L 的敏化液中處理 10_15min ；6)室溫下，放入 PbCl2 0. 5g/L，HCl 5mL/L 的活化液中活化 15_20min。(2)對光纖進行化學鍍鎳，工藝參數(shù)為=NiSO4 · 6H20為20_40g/L ；NaH2PO2 · H2O為 15-35g/L ；C3H6O2 為 15-25ml/L ；H3BO3 為 15_25g/L ;PH 值為 4-5 ;溫度在 75-95°C ;化學鍍時間為 25-35min。(3)鍍鎳光纖的Al-Sn合金真空鑄造封裝I)制備Al-Sn合金用電子天平稱量出兩種金屬顆粒的質量，其中Al含量為 5-10%，然后倒入石墨坩堝中，再放入可調式電爐中，加熱到750°C。待兩種金屬顆粒完全熔化成液體后，將石墨坩堝取出，用玻璃棒在熔化的金屬液中充分攪拌，以確保兩種金屬充分混合。再放入電爐中繼續(xù)保溫10分鐘后取出，將混合金屬液澆注在石英坩堝內，并置石英坩堝于感應熔煉線圈中。2)裝模鑄造用銅模為直徑為100mm,中心開有6mm直徑圓孔的對開圓柱銅模,打開模具，將已經(jīng)化學鍍鎳后的光纖光柵從銅模的底部孔中穿入銅模，同時將光纖光柵位置固定在銅I旲中部。3)調整銅模的位置將穿入光纖傳感器的銅模放入到高頻真空感應熔煉爐中，并且要調整好上面石英坩堝的噴嘴與銅模上孔的距離，太高則金屬液在下降過程中提前冷卻；太低則不利于真空噴射。4)抽真空、充氬氣準備工作完成之后就可以將高頻真空感應熔爐的爐門關上，然后打開真空泵進行抽真空，當從顯示屏上觀察到爐內的真空度達到
6.0X10_3Pa-9. 0X10_2pa時即可對打開感應爐的加熱電源開始對處于感應線圈中的合金加熱。5)噴射澆注當觀察到Sn-Al合金剛剛開始完全熔化時，打開氬氣閥，用氬氣的壓力將熔化的合金從試管的下嘴噴射進銅模中，這一過程一定要快。6)取出試樣真空澆注的合金瞬間就可以冷卻，打開真空爐門，將銅模再取出，打開銅模即可得到Sn-Al合金基光纖光柵傳感器，其最大使用溫度可達到350°C。本發(fā)明解決了光纖光柵的金屬化封裝問題，克服了聚合物封裝方法耐熱溫度低， 化學鍍鎳法厚度較小的問題，Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器制作方法主要過程為將市售光纖光柵傳感器經(jīng)過化學法去除涂層、堿洗除油、表面粗化、烘箱熱處理、化學敏化、化學活化等處理后，進行化學法鍍鎳，鍍鎳后的光纖光柵經(jīng)過真空感應熔煉法在其表面鑄造Sn-Al合金,制備Sn-Al合金基鍍鎳光纖光柵傳感器,其光柵傳感信號穩(wěn)定,溫度傳感系數(shù)可增加100%以上，最大使用溫度超過350°〇。
圖I為Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器結構示意圖
具體實施例方式圖I中，I為光柵傳感器；2為石英光纖；3為化學鍍鎳層；4為Al-Sn合金層。Al-Sn合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器制作方法，其步驟如下(I)光纖光柵化學鍍鎳的前處理過程I)化學法去除保護層98%的濃硫酸浸泡30min，去除聚丙烯保護層，室溫內蒸餾水清洗30min。2)60°C下，在濃度40g/L NaOH內浸泡20min，然后60°C蒸餾水清洗15min。3)HF(40% ) H2SiF6 H2O = I I I. 5 的粗化液內粗化 20min。4)放入120°C烘箱內熱處理30min.5)室溫下，放入 SnCl2 ·2Η20 :10_12g/L，HCl (濃)40mL/L 的敏化液中處理 15min.6)室溫下，放入PbCl2 0. 5g/L，HCl (濃)5mL/L的活化液中活化20min.(2)光纖的化學鍍鎳工藝參數(shù)為=NiSO4 · 6H20 為 30g/L ；NaH2PO2 · H2O 為 25g/L ； C3H6O2 為 20ml/L ；H3BO3 為 20g/L ；PH 值為 4-5 ;溫度在 85°C ;化學鍍時間為 30min。
(3)鍍鎳光纖的Al-Sn合金真空鑄造封裝I)制備Al-Sn合金用電子天平稱量出兩種金屬顆粒的質量(其中Al含量為 10%)，然后倒入石墨坩堝中，再放入可調式電爐中，加熱到750°C。待兩種金屬顆粒完全熔化成液體后，將石墨坩堝取出，用玻璃棒在熔化的金屬液中充分攪拌，以確保兩種金屬充分混合。再放入電爐中繼續(xù)保溫IOmin后取出，將混合金屬液澆注在石英坩堝內，并置石英坩堝于感應熔煉線圈中。2)裝模鑄造用銅模為直徑為100mm,中心開有6mm直徑圓孔的對開圓柱銅模,打開模具，將已經(jīng)化學鍍鎳后的光纖光柵從銅模的底部孔中穿入銅模，同時將光纖光柵位置固定在銅I旲中部。3)調整銅模的位置將穿入光纖傳感器的銅模放入到高頻真空感應熔煉爐中，并且要調整好上面石英坩堝的噴嘴與銅模上孔的距離，太高則金屬液在下降過程中提前冷卻；太低則不利于真空噴射。4)抽真空、充氬氣準備工作完成之后就可以將高頻真空感應熔爐的爐門關上， 然后打開真空泵進行抽真空，當從顯示屏上觀察到爐內的真空度達到9. OX 10_2pa時即可對打開感應爐的加熱電源開始對處于感應線圈中的合金加熱。5)噴射澆注當觀察到Sn-Al合金剛剛開始完全熔化時，打開氬氣閥，用氬氣的壓力將熔化的合金從試管的下嘴噴射進銅模中，這一過程一定要快。6)取出試樣真空澆注的合金瞬間就可以冷卻，打開真空爐門，將銅模再取出，打開銅模即可得到Sn-Al合金基光纖光柵傳感器。
權利要求
1.Sn-Al合金基鍍鎳耐高溫光纖光柵傳感器的制作方法，包括以下步驟(I)光纖化學鍍鎳的前處理市售帶涂層光纖一化學法去除保護層一堿洗除油一表面粗化反應一烘箱中熱處理一化學敏化一化學活化；(2)對光纖進行化學鍍鎳；(3)采用真空熔鑄法，利用Al-Sn合金封裝鍍鎳光纖光柵傳感器。
2.如權利要求I所述的Sn-Al合金基鍍鎳光纖光柵傳感器的制作方法，其特征在于，光纖化學鍍鎳的前處理的具體步驟是1)化學法去除保護層98%的濃硫酸浸泡10-30min， 去除聚丙烯保護層，室溫內蒸餾水清洗10-30min ;2)60°C下，在濃度20_40g/L NaOH內浸泡15-2011^11，然后601蒸餾水清洗10-201^11;3)在40%濃度的冊H2SiF6 H2O = 1:1: 1.5的粗化液內粗化10-3011^11;4)放入1201烘箱內熱處理20-401^11;5)室溫下， 放入 SnCl2 ·2Η20 :10-12g/L，HCl :40mL/L 的敏化液中處理 10_15min ；6)室溫下，放入 PbCl2 O.5g/L，HCl 5mL/L 的活化液中活化 15_20min。
3.如權利要求I所述的Sn-Al合金基鍍鎳光纖光柵傳感器的制作方法，其特征在于 對光纖進行化學鍍鎳的工藝參數(shù)為=NiSO4 · 6H20為20-40g/L ；NaH2PO2 · H2O為15_35g/ L ；C3H6O2 為 15-25ml/L ；H3BO3 為 15_25g/L ;PH 值為 4-5 ;溫度在 75-95 °C ;化學鍍時間為 25_35min0
4.如權利要求I所述的Sn-Al合金基鍍鎳光纖光柵傳感器的制作方法，其特征在于，鍍鎳光纖的Al-Sn合金真空鑄造封裝具體步驟如下1)制備Al-Sn合金用電子天平稱量出兩種金屬顆粒的質量，其中Al含量為5-10%， 然后倒入石墨坩堝中，再放入可調式電爐中，加熱到750 V，待兩種金屬顆粒完全熔化成液體后，將石墨坩堝取出，用玻璃棒在熔化的金屬液中充分攪拌，以確保兩種金屬充分混合， 再放入電爐中繼續(xù)保溫10分鐘后取出，將混合金屬液澆注在石英坩堝內，并置石英坩堝于感應熔煉線圈中；2)裝模鑄造用銅模為直徑為100mm,中心開有6mm直徑圓孔的對開圓柱銅模,打開模具，將已經(jīng)化學鍍鎳后的光纖光柵從銅模的底部孔中穿入銅模，同時將光纖光柵位置固定在銅I旲中部;3)調整銅模的位置將穿入光纖傳感器的銅模放入到高頻真空感應熔煉爐中，并且要調整好上面石英坩堝的噴嘴與銅模上孔的距離，太高則金屬液在下降過程中提前冷卻；太低則不利于真空噴射；4)抽真空、充氬氣準備工作完成之后就可以將高頻真空感應熔爐的爐門關上，然后打開真空泵進行抽真空，當從顯示屏上觀察到爐內的真空度達到6. OX 10_3Pa-9. OX 10_2Pa 時即可對打開感應爐的加熱電源開始對處于感應線圈中的合金加熱；5)噴射澆注當觀察到Sn-Al合金剛剛開始完全熔化時，打開氬氣閥，用氬氣的壓力將熔化的合金從試管的下嘴噴射進銅模中，這一過程一定要快；6)取出試樣真空澆注的合金瞬間就可以冷卻，打開真空爐門，將銅模再取出，打開銅模即可得到Sn-Al合金基光纖光柵傳感器。
全文摘要
本發(fā)明解決了光纖光柵的金屬化封裝問題，克服了聚合物封裝方法耐熱溫度低，化學鍍鎳法厚度較小的問題，Al-Sn合金基鍍鎳光纖光柵傳感器制作方法主要過程為將市售光纖光柵傳感器經(jīng)過化學法去除涂層、堿洗除油、表面粗化、烘箱熱處理、化學敏化、化學活化等處理后，進行化學法鍍鎳，鍍鎳后的光纖光柵經(jīng)過真空感應熔煉法在其表面鑄造Sn-Al合金，制備Sn-Al合金基鍍鎳光纖光柵傳感器，其光柵傳感信號穩(wěn)定，溫度傳感系數(shù)可增加100％以上，最大使用溫度超過350℃。
文檔編號G01K11/32GK102601344SQ20121007454
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權日2012年3月20日
發(fā)明者盧少微, 張海軍, 李朝華, 王繼杰, 王赫男 申請人:沈陽航空航天大學