Nickel- und Nickel-Eisen-Schichten als magnetostriktive Aktorschicht

Altbekannter Watts-Elektrolyt, junge Hightech-Anwendung – Nickel- und Nickel-Eisen-Schichten als magnetostriktive Aktorschicht auf faseroptischen Sensoren

Von Anja Mitzkus¹, Mario Sahre¹, Philipp Reinstädt¹, Michael Griepentrog¹, Uwe Beck¹, Enrico Köppe², Matthias­ Bartholmai², Frank Basedau³, Detlef Hofmann³, Xin Gong³ und Vivien Schukar³, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin

Durch faseroptische Sensoren können Bauteile im Einsatz kontinuierlich überwacht und frühzeitig Informationen über Materialveränderungen gewonnen werden. Mittels einer magnetostriktiven Aktorschicht, welche den Sensor umhüllt, kann nun auch die korrekte Sensorfunktion jederzeit kontrolliert werden. Als Aktorschicht eignet sich galvanisch abgeschiedenes reines Nickel oder Nickel-Eisen in der Zusammensetzung 50:50. Um diese haftfest mit dem Sensor zu verbinden wurde ein ECD/PVD-Kombinationsschichtsystem entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften der ECD-Schicht können sowohl mit einer auf die Fasergeometrie angepassten instrumentierten Eindringprüfung als auch einem 2-Punkt-Biegeversuch bestimmt werden.

The Long Established Watts Electrolyte, Recent High-Tech Applications
Nickel and Nickel-Iron Deposits as Magnetostrictive Actuators on Optical Fibre Sensors

Using optical fibre sensors, components can be continuously monitored in situ and early information as to any changes in materials can be harvested. Using a magnetostrictive actuator layer, surrounding the sensor, it is now possible to continuously monitor the sensor functioning. Such actuator layers can consist of electrodeposited pure nickel or nickel-iron alloy of 50-50 composition. To ensure good bonding to the sensor itself, an ECD/PVD combination layer was developed. The mechanical properties of the ECD can be determined, either by use of an indenter suitably configured to the fibre geometry or else a 2-point bending test.

1 Einleitung

Faseroptische Sensoren mit eingeschriebenem Faser-Bragg-Gitter (FBG) wurden bereits in den 1970er Jahren entwickelt [1] und finden heute ein breites Anwendungsspektrum. Die Sensoren eignen sich zur Detektion von Temperaturänderungen und Dehnungen, da sich die Bragg-Wellenlänge aufgrund einer Dehnung oder Stauchung des Gitters verschiebt. Das Einbetten von FBG-Sensoren in eine Werkstoffmatrix­ eröffnet die Möglichkeit, Bauteile zerstörungsfrei zu überprüfen. Materialveränderungen können in-situ und on-line detektiert werden und ein Versagen der Bauteile kann frühzeitig erkannt werden.

Um die einwandfreie Funktion eines eingebetteten Sensors ohne Eingriff in die Bauteilstruktur jederzeit überprüfen zu können, wurde im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) ein selbstdiagnosefähi­ger Schichtsensor entwickelt, welcher mit Hilfe einer magnetostriktiven Aktorschicht validiert wird [2, 3].

Durch die Kombination der physikalisch voneinander unabhängigen Prozesse der Magnetostriktion und der optischen Dehnungsmessung mittels FBG-Sensor kann die korrekte Funktion des, in einer Werkstoffmatrix eingebetteten, FBG-Sensors während des üblichen Sensorbetriebs überprüft werden. Dazu muss lediglich ein externes Magnetfeld angelegt werden, welches aufgrund des Effekts der Magnetostriktion die Aktorschicht und damit auch den Sensor definiert dehnt. Diese definierte, synthetische Dehnung ε erzeugt wiederum eine definierte Wellenlängenänderung λD im reflektierten optischen Signal des FBG-Sensors (Abb. 1), die mit dem Sensorzustand korreliert werden kann.

 

 

Als magnetostriktive Aktorschichten wurden sowohl reine Nickel- als auch Nickel-Eisen-Schichten mit einer Zusammensetzung 50:50 gewählt. Diese beiden Schichten zeigen bei angelegtem Magnetfeld eine hohe Magnetostriktion im Vergleich zu anderen Nickel-Eisen-Legierungen [4]. Die Aktorschicht muss mit dem FBG-Sensor haftfest verbunden sein, damit die magnetostriktive Dehnung in der Schicht maximal auf die Faser übertragen wird. Diese Voraussetzung erfüllt ein speziell dafür entwickeltes ECD/PVD-Schichtsystem (Abb. 2), welches im vorliegenden Beitrag vorgestellt wird.

2 Rotationssymmetrische PVD-Beschichtung von Glasfasersubstraten

Als Haftvermittler wird durch Magnetronsputtern eine 15 nm dünne Chromschicht auf das Glasfasersubstrat aufgebracht. Darauf folgen 100 nm Kupfer als leitfähige­ Startschicht für die anschließende elektro­chemische Abscheidung der magnetostriktiven Aktorschicht. Um eine rotationssymmetrische Schichtabscheidung beim Sputtern zu gewährleisten, klemmen die Glasfasern partiell in rotierenden, dünnen Röhrchen und werden so auf der erforderlichen Länge rundum beschichtet. Die Beschichtung erfolgte an der Anlage CS 730 ECS der Von Ardenne Anlagentechnik GmbH.

3 Magnetostriktives ECD/PVD-Kombinationsschichtsystem

Die ECD-Beschichtung (ECD – elektrochemische Abscheidung) der Glasfaser erfolgt in einer für eine definierte Strömung konstruierten Zelle. In ein PMMA-Rohr kann in einen Längsschacht von oben eine Halterung mit der Faserelektrode (Kathode) eingesetzt werden. Die Faser befindet sich während der Beschichtung mittig im Rohr und ist parallel zu diesem ausgerichtet. Die Anode besteht aus einem Nickeldraht und ist ringförmig um die Faser angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten kann über einen Durchflussregler zwischen 0 und etwa 20 cm/s eingestellt werden. Die Temperaturregelung erfolgt über einen Heizrührer und kann im verwendeten Temperaturbereich von 40 °C bis 60 °C auf ± 0,2 °C genau geregelt werden.

Für die Kontaktierung der Faserelektrode wurde eine Halterung entwickelt, mit der die Faser an beiden Enden des zu beschichtenden Bereichs so an jeweils einer dünnen Kupferschneide kontaktiert wird, dass ein möglicherweise störender Einfluss der Halterung auf die Strömung des Elektrolyten minimiert ist.

Die elektrochemische Abscheidung wird galvanostatisch geregelt (chronopotentio­metrisch) bei linearer Anpassung des Stroms. Diese ist notwendig, da die zu beschichtende Oberfläche aufgrund der Fasergeometrie während der Beschichtung um etwa 50 Prozent wächst. Die Stromdichte soll jedoch konstant gehalten werden, um eine gradientenfreie Schicht zu erhalten. Das wird durch eine lineare Variation des Stroms näherungsweise, mit einer Abweichung von wenigen Prozent, erreicht, obwohl die Oberfläche nicht linear wächst. Die Regelung erfolgte mit dem Gerät Electrochemical Workstation TR-EQCM Model 440 der CH Instruments Inc., Austin/TX.

Der verwendete Nickel-Eisen-Elektrolyt basiert auf dem Watts-Elektrolyten [5]. Für die Abscheidung reiner Nickelschichten kann der Elektrolyt ohne Zusätze verwendet werden, wodurch die Langzeitstabilität gewährleistet ist. Damit ist eine Abscheidung bei hohen Stromdichten bis mindestens 8 mA/mm² mit Beschichtungsraten bis 200 nm/s möglich. Für eine Nickel-Eisen-Schicht mit einem Massenverhältnis 50:50 werden dem Elektrolyt, neben den Hauptbestandteilen Nickelsulfat, Nickelchlorid, Eisensulfat und Borsäure, die Zusätze Saccharin (Spannungsregulator), Natriumlaurylsulfat (Netzmittel) und Ascorbinsäure (Reduktionsmittel gegen Oxidation der Eisen(II)ionen) zugefügt, die sich im Abscheideprozess beziehungsweise bei erhöhter Temperatur verbrauchen. Die erforderliche Homogenität des Eisenanteils in der Schicht ist nur bei Stromdichten bis 0,5 mA/mm² und Beschichtungsraten bis 15 nm/s gewährleistet.

Die Stromdichte und die Elektrolyttemperatur haben den größten Einfluss auf die Zusammensetzung der Nickel-Eisen-Schicht (Abb. 3). Über einen Temperaturbereich von 40 °C bis 60 °C wurde ein näherungsweise linearer Zusammenhang festgestellt, sodass kleine Abweichungen zum angestrebten Eisengehalt durch die Regelung der Elektrolyttemperatur korrigiert werden können. Bei Stromdichten kleiner oder größer als 0,5 mA/mm² sinkt der Eisenanteil, wobei bei hohen Stromdichten gleichzeitig die Inhomogenität entlang der Faser steigt. Für die Abscheidung von Nickel-Eisen-Schichten (50:50) wurde eine Stromdichte von 0,5 mA/mm² und eine Elektrolyttemperatur von 40 °C gewählt.

 

Für die Anwendung der Schicht als magnetostriktiver Aktor für FBG-Sensoren wurden für reine Nickel- und Nickel-Eisen-Schichten (50:50) signifikante Unterschiede festgestellt. Bei reinen Nickelschichten wird die Sättigungsmagnetostriktion erst bei Magnetfeldstärken > 30 mT erreicht, weshalb sich dieses Schichtdesign für die Verwendung als Sensor eignet. Für die Validierung der FBG-Sensoren ist die Nickel-Eisen-Schicht (50:50) hingegen besser geeignet, da hier die Sättigungsmagnetostriktion bereits bei geringen Magnetfeldstärken von 6 mT erreicht wird. Dieser Schichtaufbau liefert damit die Möglichkeit, den FBG-Sensor mit einer geringen synthetischen Dehnung im Mikrometerbereich zu beaufschlagen, und somit den Haftverbund des FBGs einfach und unkompliziert im Werkstoffverbund bewerten zu können.

4 Mechanische Integrität des Sensorelements

Die mechanische Integrität beschichteter Bauteile wird im Allgemeinen durch das Substrat gewährleistet und nicht durch die Funktionsschicht. Im Fall des FBG-Sensors fungiert die sensible Glasfaser als Substrat, welche in der Regel durch ein Polymer-Coating geschützt wird. Dieses muss im Bereich des FBG-Sensors entfernt werden, um das magnetostriktive Schichtsystem direkt auf die Glasfaser abscheiden zu können. Um den vollständigen Schutz der Glasfaser wieder herzustellen, wird der Bereich der Beschichtung so gewählt, dass diese auf beiden Seiten des Sensors bis auf das Polymer-Coating reicht (Abb. 4).

 

4.1 Faseroptische Analyse des beschichteten FBG-Sensors

Durch die faseroptische Analyse (Abb. 1) können Aussagen über die Qualität der Schicht getroffen werden. Ein unregelmäßiges Aufwachsen der Schicht und starke Gradienten in der Schichtzusammensetzung oder der Schichtdicke würden im Spektrum unter anderem durch eine Verbreiterung des Bragg-Peaks oder eine veränderte Intensität sichtbar. Für die hier betrachteten Schichtsensoren wurde nur eine Verschiebung der Bragg-Wellenlänge beobachtet; dies ist das Kennzeichen dafür, dass der Sensor durch die Schicht insgesamt gedehnt oder gestaucht wird. Da der Bragg-Peak ansonsten keine Veränderungen zeigt, ist davon auszugehen, dass die Schicht rotationssymmetrisch aufwächst.

4.2 Elastizitätsmodul der magnetostriktiven Aktorschicht

Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der Aktorschicht wurden zwei verschiedene Methoden angewendet: die instrumentierte Eindringprüfung (Instrumented indentation testing) und ein 2-Punkt-Biegeversuch mit der beschichteten Faser als Biegebalken. Die Messungen wurden am Nano­indenter G200 von Keysight Technologies mit einem XP-Messkopf durchgeführt.

Bei der Eindringprüfung muss für die Probenpräparation die Fasergeometrie berücksichtigt werden: Die beschichtete Faser wird mit einer dünnen Schicht Klebstoff gegen (weg)rollen fixiert, und die Indentation erfolgt wegen des kleinen Krümmungsradius der Probe exakt auf der Mantellinie der Faser. Als Eindringkörper wird ein Berkovich-Indenter verwendet.

Mit diesem Verfahren konnten für die ­Nickel-Eisen-Schichten reproduzierbare Messungen durchgeführt und der E-Modul­ bestimmt werden. Bei den reinen Nickelschichten führte die deutliche Oberflächen­rauheit zu großen Streuungen der Messwerte. Um den E-Modul dieser Schichten dennoch bestimmen zu können, wurde für die beschichteten Fasern ein Biegeversuch entwickelt, welcher im Folgenden vorgestellt wird. Dieser hat zudem den Vorteil, dass dabei der E-Modul durch eine Materialspannung ermittelt wird, die einem Belastungsprofil in der realen Anwendung entspricht, wogegen die Eindringprüfung den E-Modul nur lokal und indirekt bestimmt.

4.3 Elastizitätsmodul durch 2-Punkt-Biegeversuch

Um die Faser zu biegen, wird die gleiche Technik wie für die Eindringprüfung verwendet. Durch Verwendung des abgeflachten Berkovich-Indenter (dreiseitige Fläche mit einer Seitenlänge von etwa 5 µm) wird eine definierte Kraft auf die Faser aufgebracht und gleichzeitig die Auslenkung präzise gemessen (analog zur Kraft-Eindring-Kurve), ohne in die Probe einzudringen. Dabei werden schon bei Kräften beispielsweise von 5 mN auf 5 mm Faserlänge mehrere 10 µm Auslenkung erreicht. Die für den 2-Punkt-Biegeversuch wichtige prä­zise Fixierung der Faser wurde durch den Andruck in eine feine Nut senkrecht zur Biegekante verwirklicht.

Der E-Modul wird aus den Daten für die Kraft F und die Auslenkung y(l) mit den geometrischen Parametern der beschichteten Faser (Faserradius, Schichtdicke, für den Biegeversuch verwendete Länge der Faser) berechnet. Nach der Theorie des 2-Punkt-Biegeversuchs gilt für die Auslenkung der fest eingespannten Faser (die Auslenkung ist im Auflagepunkt null) bei einer angreifenden Kraft an der Stelle l folgender Zusammenhang:

y(l) = Fl³/3/(I_F E_F + I_NiFe E_NiFe)

I_F und I_NiFe bezeichnen die Flächenträgheitsmomente für die Faser und die Schicht, E_F und E_NiFe die zugehörigen E-Moduln. Der ­E-Modul der unbeschichteten Faser beträgt E_F = 70 GPa.

Bei der Berechnung des E-Moduls aus den Daten für die Kraft und der zugehörigen Auslenkung der beschichteten Faser wurde eine Abhängigkeit des E-Moduls von der Länge der gebogenen Faser festgestellt (Abb. 5). Der E-Modul nimmt mit größerer Länge zu, bis sich eine Sättigung einstellt. Durch diverse Tests wurde als Ursache dafür die Nachgiebigkeit im Auflagepunkt identifiziert, deren Einfluss bei geringen Auslenkungen besonders groß ist. Dieser Effekt hat bei genügend groß gewählten Auslenkungen keinen signifikanten Einfluss mehr, sodass in entsprechendem Bereich der tatsächliche Wert des E-Moduls bestimmt werden kann.

 

5 Zusammenfassung

Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² wurde ein haftfestes, rotationssymmetrisches ECD/PVD-Kombinations-Schichtsystem auf Glasfasersubstraten entwickelt. Die ECD-Schicht bildet dabei die magnetostriktive Aktorschicht, durch die ein FBG-Sensor beim Anlegen eines externen Magnetfeldes definiert gedehnt wird. Für die Validierung des Sensors ist eine Nickel-Eisen-Schicht (50:50) am besten geeignet, weil bei dieser Schichtzusammensetzung die Sättigungsmagnetostriktion bereits bei 6 mT erreicht wird und damit bei entsprechend größeren magnetischen Flussdichten immer die gleiche Dehnung erzeugt wird.

Der Elastizitätsmodul der Aktorschicht konnte sowohl lokal durch die Eindringprüfung, als auch global mittels 2-Punkt-Biegeversuch bestimmt werden. Während bei der Indentation die Messgenauigkeit durch eine große Oberflächenrauheit stark beeinflusst wird, bietet der 2-Punkt-Biegeversuch die Möglichkeit unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit den Elastizitätsmodul zu ermitteln.

Danksagung

Das Projekt FAMOS² - Faser-basierter-Magneto-Optischer SchichtSensor wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter den Nummern BE 3206/2-1, BA 5015/1-1 und SCHU 2707/2-1 gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.

Literatur

[1] K. O. Hill et al.: Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication; Applied Physics Letters, 1978, 32. Jg., Nr. 10, S. 647–649

[2] V.G. Schukar, E. Köppe, D. Hofmann: Faseroptischer Sensor, Validierungsverfahren; Patent, DE 10 2011 050 717 A1

[3] Enrico Köppe et al.: New Self-diagnostic Fiber Optical Sensor Technique for Structural Health Monitoring; Materials Today: Proceedings, 2016, 3. Jg., Nr. 4, S. 1009–1013

[4] Alfred Schulze: Die Magnetostriktion; I, Zeitschrift für Physik, 1928, 50. Jg., Nr. 7-8,
S. 448–505

[5] Oliver P. Watts: Rapid nickel plating; Trans. Am. Electrochemical Society, Vol. 29, 1916, S. 395–403

DOI: 10.7395/2017/Mitzkus1

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