光纤涂覆层材料的研究与总结

随着光纤应用环境的扩展,普通光纤已经无法适应特殊环境的使用条件。尤其是在高温工作环境下,普通紫外固化涂层极易发生热老化和热氧老化,降低涂层对光纤的保护作用,并最终可能导致光纤失效。对了应对这一情况,国内外光纤厂商展开了针对耐高温进行研发。
  目前,国际主流的耐高温光纤主要有:耐高温丙烯酸树脂涂层光纤、有机硅胶涂层光纤、聚酰亚胺涂层光纤以及金属涂覆光纤四种。凭借在制造工艺和性能上的不同特点,这几款耐高温光纤已经在油气井探测、航天、光纤传能等高端领域实现了部署,开拓了光纤应用的新市场。
  耐高温丙烯酸树脂涂层光纤
  耐高温丙烯酸树脂涂层光纤拥有优异的性能,可在85℃-150℃环境下长期稳定使用,同时其涂层可直接使用剥线钳进行涂层剥离。
  一般情况下,耐高温丙烯酸树脂涂层采用光固化耐高温丙烯酸树脂进行双层涂覆。而江苏亨通光纤公司则选用一种新型的光固化耐高温丙烯酸树脂,对模具进行改进,采用单层涂覆工艺可使涂覆光纤外径达到200μm。与双层涂覆技术相比,单层涂覆耐高温光纤不仅涂覆工艺简化,拥有更高的生产效率,拉丝速度更高;同时其单层涂覆,不存在内外涂层的差异,因此其在高温下涂层失重率更小,拥有更加稳定的性能;另外其外涂直径为200μm,体积较小,可以用于小型器件的生产,拥有一定的市场前景。
  从高层丙烯酸树脂涂层光纤的生产工艺上看,首先光纤预制棒在温度为1700℃-2200℃的高温石墨炉中融化并被拉丝成直径为125μm的裸光纤。裸光纤经过强制冷却后进入涂覆模具,之后通过紫外固化炉,使其快速固化变成外直径为245μm的成品光纤,最后使用收线装置将光纤绕盘。
  有机硅胶涂层光纤
  目前,200℃温度段的耐高温光纤主要是有机硅胶涂层光纤。能够在200℃的环境下长期使用,且衰减附加值以及涂层失重率均较低。不过,有机硅胶涂层光纤的生产成本较高,效率较低,还需要后期涂层热处理。
  从制作工艺上看,其首先采用有机硅胶双层涂覆技术使光纤直径达245μm,之后在硅胶涂层外紧包一层聚四氟乙烯套,外径为700-900μm。硅胶涂覆的固化工艺主要有热固化和UV固化(UVS)两种方式。其中UV固化的工艺生产效率更高,工艺连接性较强。
  有机硅胶涂层光纤的工艺与耐高温丙烯酸树脂光纤工艺类似,不同之处是使用了Wet-Dry涂覆方式:首先使用石墨拉丝炉将光棒加热熔融,进行抽丝,并使用UV固化。光纤收线完成后,还需要将其放入120℃的恒温加热箱中处理30分钟,随后利用紧套设备,在光纤外层再包覆一层聚四氟乙烯衣层。
  聚酰亚胺涂层光纤
  有机硅胶与耐高温丙烯酸树脂涂层的最高使用温度为200℃,而聚酰亚胺涂层光纤是一种能够在更高温度下工作的光纤。理论上,其300℃的环境下长期使用,在350℃-400℃可短期使用,同时在高压或真空的环境也能保持良好的性能,并拥有生物友好型,因此聚酰亚胺涂层光纤广泛用于航空、航天领域以及生物医药领域。
  在现有的有机材料中,聚酰亚胺(PI)是一种综合性能极佳的高分子材料,其具备耐热性能好、耐低温性能佳、热膨胀系数较低、优异的机械性能以及生物友好性等特点。聚酰亚胺涂层光纤的生产工艺也相对复杂:使用石墨拉丝炉将光纤预制棒加热至1700℃-2100℃,抽丝速度为2m/min-20m/min,裸光纤经过直径监测仪后,进入内置了储料瓶和带有橡胶尖嘴的涂覆杯的预涂覆装置,在预涂覆和预固化后还需进行二次涂覆,从而保证将光纤涂覆至要求的外径。
  与前两种耐高温光纤相比,由于涂层固化过程时间较长,因此聚酰亚胺涂层光纤的生产效率较低,拉丝速度约为10-20m/min。同时,由于模量较高,其也不能使用剥线钳施加外力进行涂层剥离,而应该采用火焰烧蚀、烤箱或马弗炉加热、等离子电弧烧蚀、CO2激光器加热烧蚀等方法。
  金属涂层光纤
  在大于400℃的空气环境的环境下,有机材料涂层会快速热氧老化,丧失保护光纤的作用,导致光纤失效。因此,只有金属涂覆光纤,才能正常使用。
  金属涂层光纤将耐高温金属材料紧覆在裸光纤上,主要有化学镀、电镀法、熔融涂覆法与材料溅射薄膜法等制作方法。其中化学法与电镀法虽然工艺简单、容易操作、成本低;但是镀出的光纤衣层薄膜均匀度差,难以满足高灵敏度传感器的需求。
  与前三种高温光纤的涂覆工艺相比,金属涂覆光纤的优势在于:金属衣层的热膨胀系数低,基本与光纤处于同一数量级;金属衣层的抗腐蚀、耐应力性能最佳;耐低温性能最佳,可在-269℃连续工作;衣层与光纤包层结合紧密,机械强度高;耐疲劳、抗水、抗氢性能好;可用金属焊接。
  不过,金属涂覆的工艺最为复杂,需要精确溅射炉功率、反应物质流量,光纤收放速度,才能保证在裸光纤表面溅射均匀的衣层。同时生产效率极低,连续生产长度仅为1km左右。此外,由于金属涂层同样无法使用剥线钳进行涂层剥离,因此采用加热硫酸溶解方式或王水进行溶解剥除。
  随着光纤应用领域的扩大,市场对特种光纤的需求持续增加,目前在售的几类耐高温光纤可以满足市场的部分需求,但都不同程度的存在局限性,这还需要广大光纤工艺工作者从生产工艺源头着手,改进工艺,制作出性能更佳的耐高温光纤。
作者简介: Ocean University of China.
Company tenure:Huaxian Optoelectronic Technology Co.Ltd CMO
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企业简介:华纤光电科技有限公司(潍坊)以海大、东南、山大研发团队为核心,致力于光纤预处理设备与光纤通信检测仪表开发,主要从事光纤涂覆机、消光比测试仪、光纤熔接机、光纤切割刀、光时域反射仪(otdr)、光功率计、红光源、激光光源、移动电源、光缆施工工具箱、光功红光一体机、mini双波长稳定光源、红光笔、vdsl tester等产品开发与生产。合作单位:中国海洋大学、山东大学、东南大学、航天十三所、山东科学院激光所、浙江大学、深圳大学、哈工大、中电41所等高校及科研院所,品质值得信赖。公司在长春、绵阳设有售后服务分支机构。