高速拉絲中影響光纖強(qiáng)度的因素

前言

　　 現(xiàn)在通信用的A類多模光纖和B類單模光纖都是由石英玻璃制造的。石英玻璃光纖在制作的過(guò)程中玻璃基體不可避免地存在微小的不均勻性、高溫熔融驟冷拉絲使表面形成應(yīng)力分布不均勻、及環(huán)境塵埃、機(jī)械損傷等致使光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋[1]。這些微裂紋在高速拉絲中，承受較大的拉絲張力，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的擴(kuò)張，導(dǎo)致光纖強(qiáng)度降低。隨著目前拉絲速度的不斷提高，如何在保證光纖強(qiáng)度成為人們比較關(guān)心的問(wèn)題。本文從工藝的角度探討了預(yù)制棒、爐子溫度、涂覆工藝和拉絲環(huán)境對(duì)光纖強(qiáng)度的影響。

　　 一 、預(yù)制棒對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

　　 光纖在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)低強(qiáng)度斷裂主要是由光纖存在的缺陷引起的。這些缺陷大致可分為內(nèi)部缺陷和表面缺陷，內(nèi)部缺陷主要預(yù)制棒中夾雜的氣泡和雜質(zhì)。表面缺陷主要形式是微裂紋和微塵沾污，它與預(yù)制棒表面損傷，拉絲爐和環(huán)境的潔凈度，涂覆質(zhì)量等因素有密切關(guān)系。為進(jìn)一步說(shuō)明這些因素對(duì)光纖強(qiáng)度的影響，以下分別進(jìn)行討論和分析：

　　 1.1 內(nèi)部缺陷的影響

　　 預(yù)制棒的生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免的存在氣泡和雜質(zhì)。對(duì)于預(yù)制棒內(nèi)部一定直徑的氣泡，在拉絲過(guò)程中可能發(fā)生破裂，或者縮小成極細(xì)小的氣線而對(duì)光纖強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而對(duì)于內(nèi)部雜質(zhì)造成的缺陷，拉絲過(guò)程中不僅無(wú)法使其愈合和縮小，相反這類雜質(zhì)大都是天然石英原料中夾雜的高熔點(diǎn)金屬氧化物，由于其膨脹系數(shù)與玻璃體存在較大的差異，因此在高溫融化時(shí)，雜質(zhì)和玻璃體界面產(chǎn)生裂紋。裂紋在拉絲過(guò)程中會(huì)不斷地增長(zhǎng)，裂紋尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)本身的尺寸，因此這些雜質(zhì)對(duì)光纖強(qiáng)度的危害要比氣泡之類的影響大得多。預(yù)制棒中存在的氣泡和雜質(zhì)對(duì)于光纖拉絲來(lái)說(shuō)，是不可避免，如果預(yù)制棒質(zhì)量不好，就無(wú)法通過(guò)拉絲工藝提高強(qiáng)度。因此，預(yù)制棒質(zhì)量時(shí)影響光纖強(qiáng)度的主要因素。

　 　1.2 表面缺陷的影響

　　 表面缺陷主要為微裂紋和表面沾污。預(yù)制棒表面的微裂紋，在拉制過(guò)程中不可避免的會(huì)轉(zhuǎn)變成光纖表面較小的微裂紋。當(dāng)光纖受到外部應(yīng)力作大于這些小的微裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力時(shí)，小的微裂紋逐漸增大，最終導(dǎo)致光纖斷裂[2]。而表面沾污會(huì)降低裸光纖表面與內(nèi)涂涂料的結(jié)合緊密度。由于內(nèi)涂涂料和裸光纖之間有空隙，當(dāng)受到一定外力時(shí)，涂層處首先發(fā)生斷裂，進(jìn)而引起裸光纖斷裂。

　　 目前對(duì)于表面缺陷主要有兩種處理方法：一為火焰拋光，二為HF酸處理?；鹧鎾伖饪梢杂行У刂斡A(yù)制棒表面的微裂紋，HF酸可以洗去附著在預(yù)制棒表面的雜質(zhì)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行HF酸洗和火焰拋光進(jìn)行二次處理，從而提高光纖強(qiáng)度。我們對(duì)未處理預(yù)制棒和處理后預(yù)制棒拉制光纖的強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表所示：

　　 從表1可以看出，經(jīng)過(guò)二次處理后的預(yù)制棒，拉制的光纖的強(qiáng)度明顯提高。需要注意， HF酸洗時(shí)一定要控制好酸洗的時(shí)間，如果酸洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，微裂紋會(huì)產(chǎn)生明顯的擴(kuò)張。并且火焰拋光時(shí)，要控制好火焰燃燒氣體的純凈度和環(huán)境的潔凈度，防止拋光時(shí)產(chǎn)生二次污染。

　　 二、爐子溫度對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

　　 高溫拉絲過(guò)程中發(fā)生點(diǎn)缺陷將導(dǎo)致光纖機(jī)械強(qiáng)度劣化，已發(fā)現(xiàn)的最重要的點(diǎn)缺陷之一E′缺陷是Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的，Si-O鏈斷裂和重新鏈合時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，E缺陷的濃度取決于Si-O鏈斷裂和重新鏈合的平衡結(jié)果。E缺陷的濃度隨拉絲爐加熱區(qū)長(zhǎng)度增加而增加，隨拉絲速度增加而降低，加熱區(qū)長(zhǎng)導(dǎo)致預(yù)制棒在高溫區(qū)時(shí)間加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的頻率更高。有研究表明，當(dāng)加熱爐溫度從2200K增加到3000K時(shí)，剛從加熱爐出來(lái)的裸光纖的缺陷濃度就會(huì)增加二個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　 同時(shí)由于高溫下，爐中的石墨件揮發(fā)產(chǎn)生如下反應(yīng)：　反應(yīng)生成的SiC是一種硬度較高的微粒，在加熱爐內(nèi)若裸光纖被SiC微粒碰的，光纖表面會(huì)產(chǎn)生缺陷和裂紋。而當(dāng)加熱爐內(nèi)溫度越高，反應(yīng)生成的SiC微粒的數(shù)量就越多，所以裸光纖表面被碰傷的機(jī)率就越高，光纖表面產(chǎn)生的缺陷越多，光纖強(qiáng)度就越低[3]。

　　 三、涂覆和固化對(duì)強(qiáng)度影響

　 　3.1涂覆的影響

　　 光纖涂層的作用是保護(hù)光纖表面不會(huì)受到機(jī)械損傷和潮氣的影響并保持其原有的強(qiáng)度，若涂層太薄或偏心就會(huì)失去機(jī)械保護(hù)的作用。涂層的同心度在拉絲過(guò)程中容易變化，因此在拉絲中需時(shí)刻注意。下表為根據(jù)實(shí)際拉絲統(tǒng)計(jì)出的涂層同心度不同對(duì)光纖強(qiáng)度的影響。

　　
　　 圖1 外涂同心度不同對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

　　 根據(jù)上圖所示，當(dāng)涂層的同心度小于8時(shí)，每1000KM光纖的斷點(diǎn)數(shù)在10左右，在篩選中不會(huì)對(duì)光纖強(qiáng)度造成太大影響影響。而當(dāng)光纖同心度達(dá)為10時(shí)，斷點(diǎn)數(shù)為15.5。因此，光纖的同心度小于8，可以有效地減少因涂層偏心而引起光纖強(qiáng)度的降低。

　　 涂覆過(guò)程中，另一個(gè)影響光纖強(qiáng)度的因素是涂層中的氣泡。氣泡的產(chǎn)生主要是因?yàn)槔z中，光纖在模具中位置發(fā)生偏移，使得涂料形成的半月型液面發(fā)生傾斜，角度較小側(cè)受到壓力增加，氣體容易被光纖帶入涂層中;或者涂料溫度變化，涂覆壓力波動(dòng)等因素都會(huì)在涂層產(chǎn)生氣泡[4]。涂層中的氣泡，降低了涂層和涂層之間以及涂層和裸光纖之間的結(jié)合力。并且氣泡的存在增加了涂層在受到拉力情況下，產(chǎn)生裂紋的可能性，最終導(dǎo)致光纖強(qiáng)度降低。

　　 3.2 固化系統(tǒng)的影響

　　 根據(jù)實(shí)際光纖生產(chǎn)方法，目前廣泛使用光聚作用的技術(shù)方法。利用UV輻射使得光引發(fā)劑激發(fā)成活性體(自由基或陽(yáng)離子)。該活性體與預(yù)聚物和單體中的C=C雙鍵反應(yīng)，形成增長(zhǎng)鏈。該增長(zhǎng)鏈進(jìn)一步反應(yīng)，形成更長(zhǎng)聚合物鏈。若有多管能度聚合物或單體存在，就會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后活性體的耦合與歧化使反應(yīng)終止。

　　 隨著技術(shù)的提高，目前生產(chǎn)中拉絲速度已經(jīng)提高的20m/s~30m/s,光纖在固化爐的停留時(shí)間僅為0.1s~0.2s。為保證涂覆后光纖的固化效果，要求固化爐能夠提供足夠的紫外光能，滿足光引發(fā)劑激活成活性體所需要的能量。同時(shí)，在固化爐內(nèi)通入一定比例的惰性氣體，防止氧氣對(duì)聚合物鏈增長(zhǎng)的抑制，提高固化效果。

　 　圖2和圖3對(duì)不同固化度光纖和由于氧氣含量過(guò)高而引起光纖表面發(fā)粘發(fā)光纖的強(qiáng)度進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)。從圖看出，當(dāng)光纖的固化度的高于80%時(shí)，光纖的強(qiáng)度沒(méi)有隨著光纖固化度的升高而升高，而是呈隨機(jī)性的分布。而圖中，固化爐中氧含量過(guò)高造成的表面發(fā)粘的光纖，與正常光纖相比，每1000KM的斷點(diǎn)數(shù)由12.1個(gè)升高到12.8個(gè)，沒(méi)有出現(xiàn)較大的升高。

　 圖2固化度對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

　 　圖3 氧含量過(guò)高引起光纖發(fā)粘對(duì)強(qiáng)度的影響

　　 四、環(huán)境等其它因素對(duì)強(qiáng)度影響

　　 在預(yù)制棒的運(yùn)輸過(guò)程和拉絲時(shí)預(yù)制棒不夠準(zhǔn)直的情況下，都有可能引起預(yù)制棒表面擦傷。當(dāng)涂覆不良時(shí)，裸光纖表面也容易被涂覆口所擦傷。但一般來(lái)說(shuō)，這些機(jī)械損傷在操作細(xì)心的情況下，是可以有效地避免。

　　 除了上述的機(jī)械損傷外，另一個(gè)影響光纖強(qiáng)度的重要因素是環(huán)境中的灰塵以及石墨拉絲爐中的揮發(fā)物。這些灰塵不僅能粘附在預(yù)制棒和裸光纖表面，甚至?xí)跔t子中形成小的顆粒，撞擊預(yù)制棒的融化區(qū)，產(chǎn)生較大的缺陷。因此在拉絲爐中除了采用高溫時(shí)揮發(fā)小的高純石墨材料外，還必須用高純氬氣強(qiáng)制排氣，保證爐子局部保持一定得清潔度。對(duì)于拉絲環(huán)境，除了保證整個(gè)拉絲車間的潔凈度外，在拉絲塔上安裝空氣過(guò)濾裝置保證局部100級(jí)左右的凈化區(qū)域[5]。

　　 五、總結(jié)

　　 通過(guò)對(duì)預(yù)制棒，拉絲爐子，涂覆固化和環(huán)境等其它因素對(duì)光纖強(qiáng)度的分析，可以看出，影響光纖強(qiáng)度的主要因素是預(yù)制棒的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)光棒表面的處理可以明顯地提高光纖的強(qiáng)度，穩(wěn)定的拉絲爐子溫度，較好的涂覆質(zhì)量以及良好的固化度可以提高光纖的強(qiáng)度。在拉絲的生產(chǎn)中保持拉絲環(huán)境的潔凈，加強(qiáng)生產(chǎn)操作為規(guī)范，選用質(zhì)量可靠的生產(chǎn)輔助材料，防止這些隱性的因素對(duì)光纖強(qiáng)度產(chǎn)生影響。