光纤-金属涂层界面结合强度的研究

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chengbocc
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光纤传感器由于诸多优良性能逐渐被应用于结构健康监测。而光纤由于本身的材料特性和形状特点,再加上高温、腐蚀等环境的影响,易受到损坏。因此有必要在光纤表面进行金属涂覆,以隔离外界影响,增强对光纤的机械保护作用,保证光纤在高温等环境下的长期可靠性和耐久性。然而在金属涂层的制备和使用过程中,在热、机等各种载荷作用下会产生热应力和机械应力,引起金属涂层/光纤界面应力集中,导致界面裂纹萌生、扩展,直至界面剥离,影响光纤的光学和力学可靠性,降低光纤传感器的测量精度和使用寿命。金属涂层的力学性能以及与光纤的结合强度是金属涂层质量的重要指标,对光纤传感器的长期可靠运行至关重要。本文在光纤表面磁控溅射一层金属薄膜作为粘结层,再电镀一层镍层作为保护层。主要研究内容及结论如下:  (1)通过SEM、XRD、AFM和纳米压痕法评定光纤金属薄膜、镍涂层的力学性能,包括薄膜的表面和断口形貌、薄膜的残余应力、晶粒度和粗糙度、纳米硬度和弹性模量,以及不同电镀工艺下镍涂层的显微硬度,并考虑退火对薄膜和镍涂层形貌及力学性能的影响。结果表明:随着厚度的增大,磁控溅射银膜的残余应力、晶粒度和粗糙度随之上升,而硬度和弹性模量下降。随着退火温度的升高,磁控溅射银膜的残余应力、硬度和弹性模量随之下降,而晶粒度和粗糙度随之增大。  (2)采用单丝压出法评定光纤-金属涂层的界面剪切强度。结果发现:钛与光纤的结合强度大于银与光纤的结合强度;磁控溅射薄膜在单丝压出过程中未发生破坏;较高的电镀温度、较小的电流密度的电镀工艺,制备的光纤金属涂层具有更加优越的界面剪切强度;退火温度的升高,导致了光纤-金属涂层界面剪切强度的下降。  (3)利用有限元方法评价光纤-金属涂层界面的应力分布,分析表明:光纤/薄膜和薄膜/镍涂层的两个界面上的应力分布差异较大,且两个界面的应力波动明显;最大Mises应力出现在界面的顶端,而后沿界面缓慢下降;界面存在较大的正应力,且分布不均匀,正应力的存在加速对界面的破坏和剥离;薄膜和涂层的弹性模量对两个界面的应力水平有较大影响,薄膜/涂层的界面比光纤/薄膜的界面对弹性模量的变化更加敏感。
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