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，拉絲過程中不僅無法使其愈合和縮小，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。裂紋在拉絲過程中會(huì)不斷地增長，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)于光纖拉絲來說，是不可避免，如果預(yù)制棒質(zhì)量不好，就無法通過拉絲工藝提高強(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。火焰拋光可以有效地治愈預(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：

         表 1 預(yù)制棒表面處理對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

篩選張力 預(yù)制棒 光纖長度 斷點(diǎn)數(shù)
9.0N         未處理 1000KM   14
9.0N          處理       1000KM      8 

          從表1可以看出，經(jīng)過二次處理后的預(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)間過長，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(shí)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(shí)，剛從加熱爐出來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。 

         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(jìn)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(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)，沒有出現(xiàn)較大的升高。

          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。但一般來說，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。