流动腐蚀方式对石英光纤湿腐蚀特性的影响.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123609
流动腐蚀方式对石英光纤湿腐蚀特性的影响
钟年丙,王永忠,廖强*,朱恂,陈蓉
(,重庆 400030;
,重庆 400030)
(Tel: [phone], Email: ******@cqu.)
摘要本文从光纤腐蚀的传质及动力学特性出发,设计了一种流动腐蚀光纤的装置,研究了石英光纤组成成分、腐蚀剂温度和流速对腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响。结果表明:光纤腐蚀过程受化学反应速率和传质速率控制;在静态腐蚀条件下,腐蚀速率随温度呈非线性增长,腐蚀后光纤表面粗糙;在流动腐蚀条件下,光纤腐蚀速率提高,并与温度呈线性关系,腐蚀后光纤表面粗糙度随流速的增加呈现出先减小后增大的趋势。
关键词光纤;流动腐蚀;光滑表面;传质;动力学
0 前言
石英光纤倏逝波传感器在化工、电化学、废水处理等领域扮演着重要的角色[1-3]。光纤倏逝波传感器制作方法主要有研磨法和酸蚀刻法[4-5]。研磨法在制备D形光纤和光纤端部加工方面具有独特的优势;但成本高,不易控制光纤的研磨程度[6]。腐蚀法利用HF溶液,通过控制腐蚀时间可以制造出不同直径和长度的倏逝波光纤;成本低,不需要专业技术人员操作,可一次性腐蚀多根光纤。此外,通过配比不同的腐蚀剂,还可制作出不同形状的光纤[7]。但是,Machavaram等[8]研究发现腐蚀后光纤表面粗糙度对光谱传输质量及传感器性能影响显著,较好的界面反射来源于光滑的腐蚀表面。因此,如何获取光滑的蚀刻光纤表面,是提高光纤倏逝波传感器灵敏度的关键。
基金项目:国家杰出青年基金项目:(No. 50825602)、国家自然科学基金项目:(No. 51136007);国家自然科学基金项目(No. 50976130);国家自然基金青年基金项目()
腐蚀石英光纤的溶剂通常采用氢氟酸(HF)或BHF溶液(HF+NH4OH/HNO3),其化学反应过程非常复杂。Schwartz等[9]为了定量评估传质速率对化学反应过程的影响,在静态下利用蚀刻剂对硅片进行了大量实验研究,发现腐蚀过程主要受化学反应速率控制。而Baranski等[10]利用有限元结合水平集算法模拟了无扰动和扰动条件下BHF溶液对硅片腐蚀速率的影响,指出在一定腐蚀剂浓度范围,腐蚀速率主要受传质控制。Schimmel[11]等对比研究了不同蚀刻剂对腐蚀表面形貌的影响,给出了蚀刻表面粗糙度与局部腐蚀速率之间的动力学关系式。John等[12]研究了喷射腐蚀方法,并指出腐蚀性能直接与反应器结构形式有关,且腐蚀过程受传质影响显著,腐蚀表面特征不仅受化学反应速率控制还受传质控制。Lippold等[13]分析了腐蚀表面粗糙主要是因为腐蚀过程产生的气体形成气泡并附着在腐蚀载体表面,阻碍局部腐蚀反应的进行所致。Mackay
等[14]指出Si(100)经湿腐蚀后的表面形貌与掺杂成分有关。可见,目前关于SiO2腐蚀机理研究还存在不足,如何获取光滑的蚀刻光纤表面研究还十分有限。
为了研究传质和化学反应动力学因素对光纤腐蚀速率及腐蚀后光纤表面粗糙度的影响机理,制备出光滑的蚀刻光纤表面,提高光纤倏逝波传感器的性能,本文设计了用于腐蚀光纤的流动腐蚀反应