高速拉絲中影響光纖強度的因素

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[1]。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，導致光纖強度降低。隨著目前拉絲速度的不斷提高，如何在保證光纖強度成為人們比較關心的問題。本文從工藝的角度探討了預制棒、爐子溫度、涂覆工藝和拉絲環(huán)境對光纖強度的影響。

　　 一 、預制棒對光纖強度的影響

　　 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)部缺陷主要預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)量等因素有密切關系。為進一步說明這些因素對光纖強度的影響，以下分別進行討論和分析：

　　 1.1 內(nèi)部缺陷的影響

　　 預制棒的生產(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，相反這類雜質(zhì)大都是天然石英原料中夾雜的高熔點金屬氧化物，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，雜質(zhì)和玻璃體界面產(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，因此這些雜質(zhì)對光纖強度的危害要比氣泡之類的影響大得多。預制棒中存在的氣泡和雜質(zhì)對于光纖拉絲來說，是不可避免，如果預制棒質(zhì)量不好，就無法通過拉絲工藝提高強度。因此，預制棒質(zhì)量時影響光纖強度的主要因素。

　 　1.2 表面缺陷的影響

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

　　 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。火焰拋光可以有效地治愈預制棒表面的微裂紋，HF酸可以洗去附著在預制棒表面的雜質(zhì)。因此在實際生產(chǎn)中，對預制棒進行HF酸洗和火焰拋光進行二次處理，從而提高光纖強度。我們對未處理預制棒和處理后預制棒拉制光纖的強度進行了統(tǒng)計，結果如表所示：

　　 從表1可以看出，經(jīng)過二次處理后的預制棒，拉制的光纖的強度明顯提高。需要注意， HF酸洗時一定要控制好酸洗的時間，如果酸洗時間過長，微裂紋會產(chǎn)生明顯的擴張。并且火焰拋光時，要控制好火焰燃燒氣體的純凈度和環(huán)境的潔凈度，防止拋光時產(chǎn)生二次污染。

　　 二、爐子溫度對光纖強度的影響

　　 高溫拉絲過程中發(fā)生點缺陷將導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鏈斷裂和重新鏈合時動態(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)長導致預制棒在高溫區(qū)時間加長，從而導致Si-O鏈斷裂產(chǎn)生的頻率更高。有研究表明，當加熱爐溫度從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)生如下反應：　反應生成的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，光纖表面會產(chǎn)生缺陷和裂紋。而當加熱爐內(nèi)溫度越高，反應生成的SiC微粒的數(shù)量就越多，所以裸光纖表面被碰傷的機率就越高，光纖表面產(chǎn)生的缺陷越多，光纖強度就越低[3]。

　　 三、涂覆和固化對強度影響

　 　3.1涂覆的影響

　　 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。下表為根據(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。

　　
　　 圖1 外涂同心度不同對光纖強度的影響

　　 根據(jù)上圖所示，當涂層的同心度小于8時，每1000KM光纖的斷點數(shù)在10左右，在篩選中不會對光纖強度造成太大影響影響。而當光纖同心度達為10時，斷點數(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度的降低。

　　 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[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，最終導致光纖強度降低。

　　 3.2 固化系統(tǒng)的影響

　　 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)。該活性體與預聚物和單體中的C=C雙鍵反應，形成增長鏈。該增長鏈進一步反應，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)結構，最后活性體的耦合與歧化使反應終止。

　　 隨著技術的提高，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。

　 　圖2和圖3對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)光纖的強度進行的統(tǒng)計。從圖看出，當光纖的固化度的高于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。

　 圖2固化度對光纖強度的影響

　 　圖3 氧含量過高引起光纖發(fā)粘對強度的影響

　　 四、環(huán)境等其它因素對強度影響

　　 在預制棒的運輸過程和拉絲時預制棒不夠準直的情況下，都有可能引起預制棒表面擦傷。當涂覆不良時，裸光纖表面也容易被涂覆口所擦傷。但一般來說，這些機械損傷在操作細心的情況下，是可以有效地避免。

　　 除了上述的機械損傷外，另一個影響光纖強度的重要因素是環(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制棒和裸光纖表面，甚至會在爐子中形成小的顆粒，撞擊預制棒的融化區(qū)，產(chǎn)生較大的缺陷。因此在拉絲爐中除了采用高溫時揮發(fā)小的高純石墨材料外，還必須用高純氬氣強制排氣，保證爐子局部保持一定得清潔度。對于拉絲環(huán)境，除了保證整個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級左右的凈化區(qū)域[5]。

　　 五、總結

　　 通過對預制棒，拉絲爐子，涂覆固化和環(huán)境等其它因素對光纖強度的分析，可以看出，影響光纖強度的主要因素是預制棒的質(zhì)量。通過對光棒表面的處理可以明顯地提高光纖的強度，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度。在拉絲的生產(chǎn)中保持拉絲環(huán)境的潔凈，加強生產(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光纖強度產(chǎn)生影響。