基于正交試驗的光纖傳感器金屬化連接工藝優(yōu)化*

劉 浩，陳偉民，章 鵬，吳 俊，劉 立

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶400044)

0 引言

相比于電學(xué)量傳感器，光纖傳感器具有測量精度高、可靠性強、抗電磁干擾、體積小、便于復(fù)用等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1～4］。但是光纖傳感器質(zhì)脆、抗剪切能力差的缺點使得其在應(yīng)用過程中極易受到損壞，從而使光纖傳感器失效，嚴重影響傳感器性能的發(fā)揮。因此，在實際的結(jié)構(gòu)監(jiān)測中需要對裸光纖傳感器進行封裝，目前，光纖傳感器的封裝形式主要有表面式和埋入式2種，但不管何種封裝形式都存在粘接劑［5～7］。粘接劑的材料特性與光纖傳感器和被測基體不同，造成光纖傳感器感受的應(yīng)變與被測基體真實應(yīng)變有所差異，應(yīng)變傳遞不準確?，F(xiàn)有的粘接劑主要為環(huán)氧類有機粘接劑，環(huán)氧粘接劑為各向異性材料，其長期蠕變特性幾乎不可避免，造成測量結(jié)果的可靠性差，會間接大幅度降低光纖應(yīng)變/應(yīng)力傳感器高靈敏度與高穩(wěn)定度性能的發(fā)揮。

為了克服環(huán)氧類有機膠帶來的測量可靠性差，應(yīng)變傳遞不準確的問題，自主開發(fā)了粒子擴散系統(tǒng)對光纖傳感器進行金屬化連接以實現(xiàn)無膠封裝。在金屬化連接工藝中，金屬粘接層作為光纖傳感器和基體材料連接的中間環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系著光纖傳感器金屬化連接的成功與否。為了簡化研究，以金屬粘接層與基體結(jié)合強度作為金屬粘接層質(zhì)量的評價指標，本文擬采用正交試驗定量分析光纖傳感器金屬化連接工藝參數(shù)對粘接層與基體結(jié)合強度的影響，為優(yōu)化光纖傳感器金屬化連接工藝奠定基礎(chǔ)。

1 光纖器件金屬化連接技術(shù)

光纖器件主要成分為SiO2材料，將其融入金屬基體中形成智能結(jié)構(gòu)面臨著材料不相容的難點，為了克服材料相異性，可靠地對光纖器件進行金屬化連接，自主開發(fā)了基于粒子擴散機理的光纖器件金屬化連接系統(tǒng)，原理如圖1所示。

圖1 光纖器件金屬化連接系統(tǒng)原理圖Fig 1 Principle diagram of system for metallization bonding of optical fiber sensor

圖1中光纖器件金屬化連接系統(tǒng)由金屬材料霧化電源、金屬微粒定向加速場組成。金屬材料通過霧化電源驅(qū)動電壓U將金屬霧化，進入金屬微粒定向加速場。利用粒子場氣壓差將霧化金屬微粒定向加速，瞬間撞擊基體、光纖表面，并產(chǎn)生一定的微粒擴散作用，從而在基體、光纖表面形成粒子擴散層。通過金屬結(jié)合體中微粒間的結(jié)合力，使基體、光纖傳感器包裹成一體，達到使光纖傳感器與基體緊密融合、協(xié)同變形的目的，從而大幅度降低表面有機膠粘接工藝中材料特性差異帶來的問題、提高界面處力學(xué)傳遞的精確性與穩(wěn)定性。光纖器件金屬化連接的效果如圖2所示。

圖2 光纖器件金屬化連接示意圖Fig 2 Schematic diagram of metallization bonding of optical fiber devices

為了簡化分析，建立了光纖器件的金屬化連接簡化模型，如圖3所示。

圖3 光纖器件金屬化連接簡化模型Fig 3 Simplified model of metallization bonding of optical fiber devices

圖3中金屬粘接層作為光纖器件和基體材料連接的中間環(huán)節(jié)，金屬粘接層的質(zhì)量直接關(guān)系著光纖器件金屬化連接的成功與否。由圖1可知，影響金屬粘接層質(zhì)量的因素有工作距離、霧化電源驅(qū)動電壓、金屬材料進給速度、粒子場氣壓等，它們對粘接層質(zhì)量的影響機理較為復(fù)雜，難以從理論上進行分析，因此，需要設(shè)計相關(guān)試驗優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，并了解各個參數(shù)對金屬粘接層質(zhì)量的影響。

2 正交試驗

2.1 試驗材料與準備

試驗采用的基體材料為普通的45鋼，尺寸為20 mm×20 mm×5 mm，使用酒精清洗去除表面的油漬，之后使用金剛砂對基體表面進行噴砂預(yù)處理。金屬粘接層材料選用與鋼基體相容性較好的鋅，鋅純度為99.9%，金屬粘接層厚度取50μm。

2.2 試驗方案設(shè)計

本文以金屬粘接層與基體結(jié)合強度作為金屬粘接層質(zhì)量的評價指標，設(shè)計了以工作距離L、驅(qū)動電壓U、金屬材料進給速度S、粒子場氣壓P為影響因素的4水平正交試驗方案L16(45)，如表1所示。

表1 正交試驗的因素水平表Tab 1 Table of the factors and levels for orthogonal test

2.3 測量方法

在各種結(jié)合強度測試方法中，劃痕法是最為成熟和應(yīng)用最廣的方法之一。測試時，壓頭在試樣表面以一定速度劃過，同時作用于壓頭上的垂直壓力逐步或連續(xù)地增大直到薄膜脫離，以薄膜從基體上剝落時最小壓力(臨界載荷LC)作為膜/基界面結(jié)合強度的度量，如圖4所示。本試驗采用WS—2005涂層附著力自動劃痕儀來測量粘接層與基體的結(jié)合強度，劃痕儀加載范圍為0.01～200N，精度為0.1N，劃痕速度為2 mm/min，測量范圍為0.5～100μm，金剛石壓頭錐角120°，尖端半徑R=0.2 mm。

圖4 劃痕儀測量結(jié)合強度原理圖Fig 4 Principle diagram of bonding strength test by scratching device

3 試驗結(jié)果

為了減少試驗誤差，保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗的次序通過抽簽來決定，并且每組試驗進行三次求取結(jié)合強度的平均值作為試驗驗的最終結(jié)果，如表2所示。

表2中Ki(i=1，2，3，4)表示某個因素第個水平的所有結(jié)合強度之和，i為影響因素的水平數(shù)，ki=Ki/4;R為某種因素的ki最大值與最小值之差，R值越大，則該因素對強度的影響越明顯。根據(jù)表2計算，RU=53.913，RP=31.662，RS=26.15，RL=7.763，因此，各因素對金屬粘接層結(jié)合強度影響大小的先后順序為工作電壓→粒子場氣壓→進給速度→工作距離。

極差法直觀地分析了各因素對結(jié)合強度的影響大小，但是沒有把試驗過程中由于試驗條件的改變所引起的數(shù)據(jù)波動與試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來。方差分析提供了因素顯著性檢驗的標準，使因素顯著與否有了一個科學(xué)的依據(jù)，方差分析結(jié)果見表3。

從表3中可以看出:參數(shù)F值大小關(guān)系FU＞FP＞FS＞FL，工作電壓對結(jié)合強度的影響最顯著，粒子場氣壓對結(jié)合強度的影響顯著，進給速度和工作距離的影響不顯著。因此，結(jié)合極差法和方差分析法的分析得到最優(yōu)的水平組合:工作電壓120V，粒子場氣壓0.5MPa，進給速度60mm/min，工作距離250 mm。

表2 正交試驗與結(jié)果分析Tab 2 Orthogonal test and results analysis

表3 方差分析結(jié)果Tab 3 Results of variance analysis

根據(jù)正交試驗各因素的水平值，分別以驅(qū)動電壓、粒子場氣壓、進給速度、工作距離為橫坐標，以同一因素的4個相同水平下測定的對應(yīng)粘接層結(jié)合強度之和的平均值為縱坐標，其水平趨勢如圖5所示。

圖5 四種因素的水平值對結(jié)合強度的影響Fig 5 Influence of four factors’level value on bonding strength

由圖5(a)可以看出:當驅(qū)動電壓較低時，霧化粒子冷卻快，易出現(xiàn)熔化不良、粒子粗大等現(xiàn)象，，因此，結(jié)合強度較低;隨著驅(qū)動電壓的增加，金屬絲材的熔化溫度高，當熔融金屬粒子高速飛行陸續(xù)撞擊基體表面形成粘接層時，撞擊基體表面后變形增大，有利于粒子鋪展，粘接層的致密性提高，粒子之間的內(nèi)聚力增強，粘接層結(jié)合強度增高［8］。但驅(qū)動電壓過大，霧化粒子氧化嚴重，造成粘接層結(jié)合強度下降。在不影響粘接層質(zhì)量的前提下應(yīng)該選擇較大的驅(qū)動電壓，但不宜過大。

粒子場氣壓對粘接層結(jié)合強度的影響如圖5(b)所示，粒子場氣壓增大時熔融金屬顆粒霧化效果改善，速度增大，撞擊力也隨之增大，撞擊基體表面后變形增大，但當氣壓過大時，熔融金屬顆粒吸收的熱量減小，受熱不充分，溫度較低，撞擊基體后變形不充分，結(jié)合強度有所下降［9］。

進給速度對粘接層結(jié)合強度的影響如圖5(c)所示，隨著金屬材料進給速度的增大，單位時間內(nèi)消耗的金屬越多，造成金屬顆粒增大，甚至?xí)霈F(xiàn)未熔融的金屬材料，減弱了金屬微粒與基體的結(jié)合程度，再者進給速度過大，金屬顆粒飛到基體表面容易產(chǎn)生飛濺，影響粘接層的致密性。

圖5(d)表示工作距離對粘接層與基體結(jié)合強度影響曲線。從圖中可以看出:隨著工作距離的增加，粘接層結(jié)合強度有所增加，但當工作距離過大時，導(dǎo)致微粒到達基體的溫度較低，粒子撞擊機體后與基體的浸潤性不好，流動性差，其次粒子氧化物增多，導(dǎo)致基體與粘接層之間氧化物區(qū)域增大，造成粘接層結(jié)合強度下降。但總體而言，工作距離對粘接層結(jié)合強度的影響較小，在選擇參數(shù)的時候應(yīng)該選擇較為適中的工作距離。

4 結(jié)論

通過正交試驗，獲得了光纖器件金屬化連接系統(tǒng)參數(shù)對金屬粘接層與基體結(jié)合強度影響的先后順序:驅(qū)動電壓→粒子場氣壓→進給速度→工作距離。驅(qū)動電壓對結(jié)合強度的影響最顯著，粒子場氣壓，進給速度和工作距離的影響不顯著。本試驗得到的最優(yōu)參數(shù)為:工作電壓為120 V，粒子場氣壓為0.5 MPa，進給速度為60 mm/min，工作距離為250 mm。優(yōu)化的試驗結(jié)果對光纖器件的金屬化工藝研究具有重要的參考價值。

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