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1、第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 第四节第四节 光纤拉丝技术光纤拉丝技术及涂覆工艺及涂覆工艺 第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 第四节第四节 光纤拉丝技术光纤拉丝技术及涂覆工艺及涂覆工艺 光纤拉丝：光纤拉丝：将制备好的光纤预制棒，利用某种加热设备加热熔将制备好的光纤预制棒，利用某种加热设备加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维，并保证光纤的芯融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维，并保证光纤的芯/包包直径比和折射率分布形式不变的工艺操作过程。直径比和折射率分布形式不变的工艺操作过程。在拉丝操作过程中，在拉丝操作过程中，最重要的技术最重要的技术
2、：如何保证不使光纤表面受：如何保证不使光纤表面受到损伤并正确控制芯到损伤并正确控制芯/包层外径尺寸及折射率分布形式。包层外径尺寸及折射率分布形式。如果光纤表面受到损伤，将会影响光纤机械强度与使用寿命，如果光纤表面受到损伤，将会影响光纤机械强度与使用寿命，而外径发生波动，由于结构不完善不仅会引起光纤波导散射损而外径发生波动，由于结构不完善不仅会引起光纤波导散射损耗，而且在光纤接续时，连接损耗也会增大，因此在控制光纤耗，而且在光纤接续时，连接损耗也会增大，因此在控制光纤拉丝工艺流程时，必须使各种工艺参数与条件保持稳定。拉丝工艺流程时，必须使各种工艺参数与条件保持稳定。第四章第四章 光纤制造技术光纤
3、制造技术 一次涂覆工艺：一次涂覆工艺：将拉制成的裸光纤表面涂覆上一层弹性模量比将拉制成的裸光纤表面涂覆上一层弹性模量比 较高的涂覆材料。较高的涂覆材料。作用：作用：保护拉制出的光纤表面不受损伤，并提高其机械强度，保护拉制出的光纤表面不受损伤，并提高其机械强度，降低衰减。降低衰减。在工艺上，一次涂覆与拉丝是相互独立的两个工艺步骤，而在在工艺上，一次涂覆与拉丝是相互独立的两个工艺步骤，而在实际生产中，一次涂覆与拉丝是在一条生产线上一次完成的。实际生产中，一次涂覆与拉丝是在一条生产线上一次完成的。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 一、拉丝工艺一、拉丝工艺1、拉丝装置组成、拉丝装置组成光纤预制棒
4、的拉丝机由光纤预制棒的拉丝机由五个基本部分构成五个基本部分构成：(1)光纤预制棒馈光纤预制棒馈送系统；送系统；(2)加热系统；加热系统；(3)拉丝机构；拉丝机构；(4)各参数控制系统；各参数控制系统；(5)水冷却和气氛保护及控制系统。五者之间精确的配合构成水冷却和气氛保护及控制系统。五者之间精确的配合构成完整拉丝工艺。完整拉丝工艺。具体的具体的机械和电气设备系统包括机械和电气设备系统包括：机械系统拉丝塔架、送棒及：机械系统拉丝塔架、送棒及调心系统、加热炉、激光测径仪、牵引装置、水气管路系统，调心系统、加热炉、激光测径仪、牵引装置、水气管路系统，电气部分送棒控制及调心控制系统、加热炉控制系统、外
5、径测电气部分送棒控制及调心控制系统、加热炉控制系统、外径测控系统、牵引控制系统、冷却水及保护气氛控制系统、人机界控系统、牵引控制系统、冷却水及保护气氛控制系统、人机界面、面、PLC信号处理系统等。信号处理系统等。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 2、操作工艺、操作工艺将已制备好的预制棒安放在拉丝塔（机）上部的预制棒馈送机将已制备好的预制棒安放在拉丝塔（机）上部的预制棒馈送机构的卡盘上。馈送机构缓慢地将预制棒送入高温加热炉内。在构的卡盘上。馈送机构缓慢地将预制棒送入高温加热炉内。在Ar气氛保护下，高温加热炉将预制棒尖端加热至气氛保护下，高温加热炉将预
6、制棒尖端加热至2000C，在此，在此温度下，足以使玻璃预制棒软化，软化的熔融态玻璃从高温加温度下，足以使玻璃预制棒软化，软化的熔融态玻璃从高温加热炉底部的喷嘴处滴落出来并凝聚形成一带小球细丝，靠自身热炉底部的喷嘴处滴落出来并凝聚形成一带小球细丝，靠自身重量下垂变细而成纤维，即我们所说的裸光纤。将有小球段纤重量下垂变细而成纤维，即我们所说的裸光纤。将有小球段纤维称为维称为“滴流头滴流头”，操作者应及时将滴流头去除，并预先采用，操作者应及时将滴流头去除，并预先采用手工方式将已涂覆一次涂层的光纤头端绕过拉丝塔上的张力轮、手工方式将已涂覆一次涂层的光纤头端绕过拉丝塔上的张力轮、导轮、牵引轮后，最后绕在
7、收线盘上。然后再启动自动收线装导轮、牵引轮后，最后绕在收线盘上。然后再启动自动收线装置收线。置收线。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 3、关键技术：、关键技术：(1)馈送速度馈送速度预制棒送入高温加热炉内的预制棒送入高温加热炉内的馈送速度馈送速度主要取决于高温炉的结构、主要取决于高温炉的结构、预制棒的直径、光纤的外径尺寸和拉丝机的拉丝速度，一般约预制棒的直径、光纤的外径尺寸和拉丝机的拉丝速度，一般约为为0.002 0.003cm/s。(2)外径控制外径控制在拉丝工艺中不需要模具控制光纤的外径，因为模具会在光纤在拉丝工艺中不需要模具控制光纤的外径，因为模具会在光纤表面留下损伤的痕迹，降低光
8、纤的强度。绝大多数光纤制造者表面留下损伤的痕迹，降低光纤的强度。绝大多数光纤制造者是将高温加热炉温度和送棒速度保持不变，通过是将高温加热炉温度和送棒速度保持不变，通过改变光纤拉丝改变光纤拉丝速度速度的方法来达到控制光纤外径尺寸的目的。的方法来达到控制光纤外径尺寸的目的。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 在正常状态，若预制棒的馈送速度为在正常状态，若预制棒的馈送速度为V，光纤的拉丝速度为，光纤的拉丝速度为Vf，预制棒的外径为，预制棒的外径为D，裸光纤的外径为，裸光纤的外径为d。根据。根据熔化前的棒体容熔化前的棒体容积等于熔化拉丝后光纤的容积积等于熔化拉丝后光纤的容积的特点，可知，前三者与光
9、纤的的特点，可知，前三者与光纤的外径有如下关系：外径有如下关系：VD2=Vfd2因此，光纤的外径可由上式给出：因此，光纤的外径可由上式给出：d2=VD2/Vf 第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 (3)加热装置加热装置热源不仅要提供足以熔融石英玻璃的热源不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000C以上高温，还必以上高温，还必须在拉制区域能够非常精确的控制温度，因为在软化范围内，须在拉制区域能够非常精确的控制温度，因为在软化范围内，玻璃光纤的精度随温度而变化，在此区域内，任何温度梯度玻璃光纤的精度随温度而变化，在此区域内，任何温度梯度的波动都可能引起不稳定性而影响光纤直径的控制。同时，的波动都可能
10、引起不稳定性而影响光纤直径的控制。同时，由于由于2000C的高温已超过一般材料的熔点，因而加热炉的设的高温已超过一般材料的熔点，因而加热炉的设计是拉丝技术的又一关键技术。常用的拉丝热源有：计是拉丝技术的又一关键技术。常用的拉丝热源有：(1)气体气体喷灯；喷灯；(2)各种电阻及感应加热炉；各种电阻及感应加热炉；(3)大功率大功率CO2激光器。激光器。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 气体喷灯：气体喷灯：历史上应用火焰燃烧器把高温玻璃拉制成纤维历史上应用火焰燃烧器把高温玻璃拉制成纤维的例子甚多，一般都采用氢氧或氧的例子甚多，一般都采用氢氧或氧-煤气喷灯，这种加热设备煤气喷灯，这种加热设备本身
11、存在火焰骚动问题，因而拉制的光纤外径尺寸控制精度本身存在火焰骚动问题，因而拉制的光纤外径尺寸控制精度一直不高。目前，这种方法一直不高。目前，这种方法极少应用极少应用。石墨加热炉石墨加热炉(石墨电阻炉石墨电阻炉)：采用直流或工频交流电源为石墨采用直流或工频交流电源为石墨炉加热，在加热中为防止石墨材料在高温下发生氧化，进而产炉加热，在加热中为防止石墨材料在高温下发生氧化，进而产生粉尘污染，一般需采用惰性气体如生粉尘污染，一般需采用惰性气体如Ar气或氮气进行气氛保护。气或氮气进行气氛保护。由于加热炉中充入由于加热炉中充入Ar保持，而炉内保持，而炉内Ar的紊乱流动将导致炉内温的紊乱流动将导致炉内温度的
12、变化。因此必须对保护气体度的变化。因此必须对保护气体Ar的流量进行控制，以保持炉的流量进行控制，以保持炉温的稳定。在拉制光纤时，需安装光纤外径测量仪反馈测量光温的稳定。在拉制光纤时，需安装光纤外径测量仪反馈测量光纤外径的变化情况，因此可通过这一反馈测量值的变化来控制纤外径的变化情况，因此可通过这一反馈测量值的变化来控制保护气体保护气体Ar的流量，使光纤外径的变化量控制在允许（的流量，使光纤外径的变化量控制在允许（1um）范围内。范围内。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 氧化锆氧化锆(ZrO2)感应加热炉感应加热炉：利用氧化锆材料在常温下为绝缘：利用氧化锆材料在常温下为绝缘体，接近体，接近
13、1500C时，就会变成导体的特点而设计制造。其本身时，就会变成导体的特点而设计制造。其本身既可作炉管又是加热体，在高频感应场中加热。因为氧化锆的既可作炉管又是加热体，在高频感应场中加热。因为氧化锆的氧化温度在氧化温度在2500C。因此氧化锆感应炉一般不需要气氛保护，。因此氧化锆感应炉一般不需要气氛保护，但在制造光纤时，为隔离空气降低制造过程中产生的衰减，必但在制造光纤时，为隔离空气降低制造过程中产生的衰减，必须充须充Ar气进行气氛保护。气进行气氛保护。高功率激光器：高功率激光器：用激光拉制光纤的清净度是各种方法无法比用激光拉制光纤的清净度是各种方法无法比拟的，因为在拉丝过程中，激光器自身不会带
14、来任何污染；而拟的，因为在拉丝过程中，激光器自身不会带来任何污染；而在光纤直径的控制上，在不需控制环的帮助下，大长度光纤直在光纤直径的控制上，在不需控制环的帮助下，大长度光纤直径的偏差小于标准值的径的偏差小于标准值的1%，且加热温度稳定不变。常用的激光，且加热温度稳定不变。常用的激光器为器为CO2激光器。激光器。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 二、涂覆二、涂覆光纤一次涂覆工艺之所以称为光纤一次涂覆工艺之所以称为“一次涂覆一次涂覆”是相对二次涂覆是相对二次涂覆而言。一次涂覆是对光纤最直接的保护，所以显得尤为重要。而言。一次涂覆是对光纤最直接的保护，所以显得尤为重要。SiO2玻璃是一种脆性
15、易断裂材料，在不加涂覆材料时，由于光玻璃是一种脆性易断裂材料，在不加涂覆材料时，由于光纤在空气中裸露，致使表面缺陷扩大，局部应力集中，易造纤在空气中裸露，致使表面缺陷扩大，局部应力集中，易造成光纤强度极低，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲成光纤强度极低，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，实现实用化，需要给裸光纤涂覆一层或多层高分子材强度，实现实用化，需要给裸光纤涂覆一层或多层高分子材料，料，通过测径仪后光纤要经过足够的冷却时间才可进行涂覆。通过测径仪后光纤要经过足够的冷却时间才可进行涂覆。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 1、涂覆层的作用、涂覆层的作用(双层双层)：内层：选择
16、折射率比石英玻璃偏大且弹性模量较低的内层：选择折射率比石英玻璃偏大且弹性模量较低的 聚合物涂层聚合物涂层吸收透过包层得多余光和保护光吸收透过包层得多余光和保护光 纤表面损伤、使用中缓冲外界应力；纤表面损伤、使用中缓冲外界应力；外层：硬、弹性模量高外层：硬、弹性模量高防止磨损和提供强度防止磨损和提供强度2、涂料：、涂料：热固性硅树脂液体热固性硅树脂液体 紫外光固化丙烯酸酯液体紫外光固化丙烯酸酯液体 聚氨基甲酸乙酯聚氨基甲酸乙酯 第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 3、涂覆装置：、涂覆装置：1)无外部加压开口杯式无外部加压开口杯式 2)压力涂覆器压力涂覆器 第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技
17、术 采用简单的无外部加压开口杯式涂覆器，移动中的光纤会粘采用简单的无外部加压开口杯式涂覆器，移动中的光纤会粘附一些液体涂料，并穿过一个使涂料在光纤上自对中可调模附一些液体涂料，并穿过一个使涂料在光纤上自对中可调模具口，涂层厚度由具口，涂层厚度由模具口大小和光纤直径模具口大小和光纤直径决定。但这种结构决定。但这种结构涂覆器，在高速拉丝时（涂覆器，在高速拉丝时（V1000m/s）得不到均匀涂敷层。因）得不到均匀涂敷层。因此，现在实际应用更普遍的是压力涂敷器。这种结构涂覆器此，现在实际应用更普遍的是压力涂敷器。这种结构涂覆器最适合用于高速拉丝，而且不会在涂料中搅起气泡。最适合用于高速拉丝，而且不会在
18、涂料中搅起气泡。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 4、涂层厚度、涂层厚度如果仅从机械强度考虑，涂层越厚越好，若综合考虑光纤的传如果仅从机械强度考虑，涂层越厚越好，若综合考虑光纤的传输特性，涂层太厚，不仅在弯曲、拉伸及温度变化时会产生微输特性，涂层太厚，不仅在弯曲、拉伸及温度变化时会产生微弯，同时还会成为光纤损耗增加的主要原因，此外，涂层材料弯，同时还会成为光纤损耗增加的主要原因，此外，涂层材料的机械特点，也严重影响光纤的传输特性。绝大多数光纤的涂的机械特点，也严重影响光纤的传输特性。绝大多数光纤的涂层厚度控制在层厚度控制在125-250微米微米，但特殊光纤的涂层直径高达，但特殊光纤的涂层
19、直径高达1000微米微米，调节，调节涂覆器端头的小孔直径、锥体角度和高分子材料的涂覆器端头的小孔直径、锥体角度和高分子材料的粘度粘度，可以得到规定厚度的涂覆层材料。，可以得到规定厚度的涂覆层材料。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 紫外固化工艺主要设备是紫外固化炉，它是由一组对放的紫外固化工艺主要设备是紫外固化炉，它是由一组对放的半椭圆形紫外灯组成，一般有半椭圆形紫外灯组成，一般有3-7个紫外灯。基本固化原理是个紫外灯。基本固化原理是采用紫外光照固化，以特定频率的紫外灯光（简称采用紫外光照固化，以特定频率的紫外灯光（简称UV）照）照射对该频段射对该频段UV有敏感的涂料有敏感的涂料(如丙烯酸
20、酯如丙烯酸酯)，且满足一定时，且满足一定时间和强度要求，使涂层固化。间和强度要求，使涂层固化。5、固化工艺：、固化工艺：热固化热固化 紫外光灯固化紫外光灯固化第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 光纤涂覆层的剥除光纤涂覆层的剥除当光纤与光纤连接时，靠近连接端面一段的涂层应当被剥除，当光纤与光纤连接时，靠近连接端面一段的涂层应当被剥除，从玻璃上除去各种聚合物的方法有多种，最有效最实用的方从玻璃上除去各种聚合物的方法有多种，最有效最实用的方法是将涂覆光纤夹在二片法是将涂覆光纤夹在二片Scott Felt纸板中间，浸泡在热的丙纸板中间，浸泡在热的丙二醇溶液中，溶液温度为二醇溶液中，溶液温度为160
21、，约浸泡，约浸泡30秒钟，用夹钳把秒钟，用夹钳把光纤夹出，涂覆层被纸垫片吸住而滑落。光纤夹出，涂覆层被纸垫片吸住而滑落。第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 三、收丝三、收丝1、一般采用涂有橡胶的牵引轮和牵引装置、张力控制轮、收排、一般采用涂有橡胶的牵引轮和牵引装置、张力控制轮、收排线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在1020m/s间，要求保证间，要求保证光纤所受拉力为光纤所受拉力为“零零”。排线质量排线质量直接影响光纤的衰减，要求排线平整、无压线、夹线直接影响光纤的衰减，要求排线平整、无压线、夹线现象。控制好排线质量的关键是第一层光纤的排线质量，首先，现象。控制好排线质量的关键是第一层光纤的排线质量，首先，要调整好排线节距的大小，其次要控制制好光纤与收线圆盘边要调整好排线节距的大小，其次要控制制好光纤与收线圆盘边缘距离缘距离(7-8m)，否则，将会出现夹线、断线等现象。，否则，将会出现夹线、断线等现象。2、卷绕方式：、卷绕方式：大卷装大卷装第四章第四章 光纤制造技术光纤制造技术 排线方式排线方式有三种：矩形排线、梯形排线和倒梯形排线。有三种：矩形排线、梯形排线和倒梯形排线。矩形排线矩形排线 梯形排线梯形排线 倒梯形排线倒梯形排线自动换筒：纤头的捕获自动换筒：纤头的捕获