如何保證高速拉絲下的石英玻璃光纖強度

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摘要：如今的通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“光纖化”特征，而且隨著光進銅退、FTTx、網(wǎng)絡(luò)的全IP化趨勢，自核心網(wǎng)到接入網(wǎng)，整個城域網(wǎng)絡(luò)都逐步地由光纖光纜來構(gòu)成?，F(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。 　　如今的通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“光纖化”特征，而且隨著光進銅退、FTTx、網(wǎng)絡(luò)的全IP化趨勢，自核心網(wǎng)到接入網(wǎng)，整個城域網(wǎng)絡(luò)都逐步地由光纖光纜來構(gòu)成?，F(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、機械損傷等致使光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋。這些微裂紋在高速拉絲中，承受較大的拉絲張力，會產(chǎn)生進一步的擴張，導(dǎo)致光纖強度降低。
　　
　　預(yù)制棒缺陷是光纖斷裂主因
　　
　　光纖在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)低強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)部缺陷主要原因是預(yù)制棒中夾雜氣泡和雜質(zhì)。表面缺陷主要形式是微裂紋和微塵沾污。
　　
　　預(yù)制棒的生產(chǎn)過程中，不可避免的存在氣泡和雜質(zhì)。對于預(yù)制棒內(nèi)部一定直徑的氣泡，在拉絲過程中可能發(fā)生破裂，或者縮小成極細小的氣線而對光纖強度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而對于內(nèi)部雜質(zhì)造成的缺陷，拉絲過程中不僅無法使其愈合和縮小，相反在高溫融化時，雜質(zhì)和玻璃體界面還會因其產(chǎn)生裂紋。裂紋在拉絲過程中會不斷地增長，裂紋尺寸遠遠大于雜質(zhì)本身的尺寸。
　　
　　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，在拉制過程中不可避免地會轉(zhuǎn)變成光纖表面較小的微裂紋。當(dāng)光纖受到的外部應(yīng)力大于這些小的微裂紋擴展臨界應(yīng)力時，小的微裂紋逐漸增大，最終導(dǎo)致光纖斷裂。而表面沾污會降低裸光纖表面與內(nèi)涂涂料的結(jié)合緊密度。
　　
　　目前對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)。因此在實際生產(chǎn)中，對預(yù)制棒進行HF酸洗和火焰拋光二次處理，從而提高光纖強度。
　　
　　涂覆和固化決定機械保護強度
　　
　　光纖涂層的作用是保護光纖表面不會受到機械損傷和潮氣的影響并保持其原有的強度，若涂層太薄或偏心就會失去機械保護的作用。涂層的同心度在拉絲過程中容易變化，因此在拉絲中需時刻注意。為根據(jù)實際拉絲統(tǒng)計出的涂層同心度不同對光纖強度的影響。
　　
　　涂覆過程中，另一個影響光纖強度的因素是涂層中的氣泡。氣泡的產(chǎn)生主要是因為拉絲中，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，涂覆壓力波動等因素都會在涂層產(chǎn)生氣泡。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)致光纖強度降低。
　　
　　根據(jù)實際光纖生產(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)，形成增長鏈。該增長鏈進一步反應(yīng)，形成更長聚合物鏈。若有多管能度聚合物或單體存在，就會產(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)提高到20m/s~30m/s，光纖在固化爐的停留時間僅為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，在固化爐內(nèi)通入一定比例的惰性氣體，防止氧氣對聚合物鏈增長的抑制，提高固化效果。
　　
　　對不同固化度光纖和由于氧氣含量過高而引起表面發(fā)粘的光纖的強度進行的統(tǒng)計。從圖看出，當(dāng)光纖的固化度高于80%時，光纖的強度沒有隨著光纖固化度的升高而升高，而是呈隨機性的分布。而圖中，固化爐中氧含量過高造成的表面發(fā)粘的光纖，與正常光纖相比，每1000KM的斷點數(shù)由12.1個升高到12.8個，沒有出現(xiàn)較大的升高。
　　
　　爐子溫度影響光纖機械強度
　　
　　高溫拉絲過程中發(fā)生點缺陷將導(dǎo)致光纖機械強度劣化，已發(fā)現(xiàn)的最重要的點缺陷之一E缺陷是Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的，Si-O鏈斷裂和重新鏈合是動態(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)長度增加而增加，隨拉絲速度增加而降低，加熱區(qū)長導(dǎo)致預(yù)制棒在高溫區(qū)時間加長，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，剛從加熱爐出來的裸光纖的缺陷濃度就會增加二個數(shù)量級。
　　
　　同時由于高溫下，爐中的石墨件揮發(fā)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成了硬度較高的SiC微粒，在加熱爐內(nèi)若裸光纖被SiC微粒碰到，光纖表面會產(chǎn)生缺陷和裂紋。而隨著加熱爐內(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幾率就越高，光纖表面產(chǎn)生的缺陷越多，光纖強度就越低。