涂料对光纤的影响

涂料对光纤的影响
摘要：在光纤通信中光纤的质量极其重要，本文简要介绍涂层材料对石英光纤的影响。

关键词：光纤石英光纤涂层材料
一、光纤的发展
光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。

从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。

但由于受到视距﹑大气衰减﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。

1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。

结果使观众们大吃一惊。

人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲
的水俘获了(图1)
人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。

这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。

表面上看，光好像在水流中弯曲前进。

实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。

根据这一原理，人们造出了光导纤维。

现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。

不过，这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导
纤维，又叫光学纤维，简称光纤（如图2）
按照制造光纤使用的材料的不同来分，可分为玻璃光纤、全塑光纤及石英系列光纤等。

在光纤通信中，目前主要采用石英材料制成的光纤众所周知，玻璃是一种宁折不挠的硬性材料，它既不耐冲击，又不能拗屈。

但把玻璃抽成细丝后，它就会一反常态地变得柔软耐磨，可挠易弯，还具有不燃烧、耐腐蚀、隔热、吸音、强度大的特点。

如经树脂涂层和印染处理，还可作为室内装饰用布。

人们又发现，玻璃纤维的细度越细，则柔韧性越好，合股线的强力也就越高。

又由于玻璃的透光性能好，还有传递光能的作用，因此，从70年代起，人们就成功地将二氧化硅玻璃纤维用于光通讯技术。

这是第一代光导纤维，它是用二氧化硅玻璃纤维做芯线，线外用甲基丙烯酸酯涂膜，以增强光导纤维的机械强度和防止光能散射。

但是，这种光导纤维的抽丝和对接难度大，推广应用困难。

于是，1964年美国首先研制成功了第二代光导纤维，它采用合成材料做芯线（如用重氢取代氢离子的聚甲基丙烯酸甲酯做芯线），外层涂料用聚乙烯或聚四氟乙烯。

也有采用丙烯腈做芯线，用聚苯乙烯做涂料的光导纤维。

这种光导纤维的芯线透射率高，涂层折射率低，光能损耗低于20dB，而且加工技术简单，可加工极细的光导纤维，目前应用的细度可达0.005mm以下，可方便地根据需要来加工导线的长度，这样可减少接头的损耗，而且柔软度优于玻璃纤维，便于推广使用。

所以在选择光纤材料是至关重要的！下面介绍一下目前主要采用的石英材料制成的光纤。

二、石英光纤简介
石英光纤是一种基于石英玻璃为芯材的光导纤维，石英光纤分为石英包层(HCS)的石英光纤和塑料包层(PCS)的石英光纤，HCS石英光纤的芯层和包层材料都是石英玻璃,只是通过掺杂技术使得芯层的石英玻璃的折射率高于包层的石英玻璃，而PCS石英光纤的芯层是石英玻璃，包层的材料是低折射率的有机光学材料,如硅橡胶，氟塑料和含氟丙烯酸树脂等，根据不同的用途、环境和使用领域，在光纤外部必须要增加相应的保护涂层材料,如丙烯酸树脂，尼龙，聚酰亚胺等。

石英光纤的传光光谱范围非常宽广，从紫外区一直可以到近红外区，一般为190nm～2600nm，石英光纤不仅传光光谱范围广，而且是目前已知的除光子晶体光纤外，人类可以做到光损耗最小的光纤，因此，石英光纤不仅在通信领域上有着广泛的用途，而且在传感、传能量、非线性效应、光信号处理等非通信领域也有着广泛的用途。

石英光纤的传光光谱范围主要由芯层的石英材质决定，石英的材质按羟基（—OH）的含量，大致可分为低羟基和高羟基石英光纤，高羟基石英光纤的最有效传光范围为300nm～
1100nm。

低羟基石英光纤的最有效传光范围为400nm～2100nm。

但是，由于石英材料抗剪力非常差，易脆易断，所以这种双包层的石英光纤在拉丝时必须用涂覆或其他工艺在光纤表面涂有保护性的涂层材料，甚至多层保护材料，才能达到不同目的的正常使用。

所以涂层材料的选择也相当重要，下面介绍几种涂层材料：
三、涂层材料对石英光纤的影响
1、石英光纤光学涂层材料的种类和性能
石英光纤的光学涂层材料主要有硅橡胶、硬树脂（Hard polymer cladding material）、氟塑料三种材料。

硅橡胶的涂层材料可做成热固化和紫外固化两种形式，热固化的涂层材料应用的较多，其主要技术指标见表1，这种材料一般为两种组份，分开包装，使用时将两个组份按比例混合均匀后，在真空下将气泡从胶液中除去。

根据拉丝状态和固化炉的温度来调节固化速度，一般固化温度为400℃～500℃，固化时间为1～3秒，
表1：热固化硅橡胶光纤涂料的主要技术指标
性能指标
外观无色或微黄色透明液体
混合前两组份胶料粘度(25℃，mpa.s) 3000～6000
操作时间(h/25℃) ≥10
抗拉强度( MPa) ≥4.4
伸长率( ％) ≥60
邵氏A硬度≥45
折光率（25℃） 1.400～1.410
硬树脂光学涂料是一种含氟丙烯酸树脂(fluoroacrylate)，含氟丙烯酸酯涂料既保留丙烯酸酯涂料良好的耐碱性、保色保光性、涂膜丰满等特点，又具有有机氟树脂耐候、耐污染、耐腐蚀及自洁性能，是一种综合性能优良的涂料，其主要技术指标如表2，含氟丙烯酸树脂光纤涂料也可以做成热固化和紫外固化两种形式，但现在市场大都做成紫外固化的。

表2：含氟丙烯酸树脂光纤涂料的主要技术指标
性能指标
外观无色透明液体
密度（g/ml，25℃） 1.15～1.20
折光率（25℃） 1.37～1.42
沸点(℃) 80～120
均聚物，Tg(℃) 70～90
纯度≥99.9%
氟塑料光学涂层材料是一种聚偏氟乙烯（PVDF）材料，其主要技术指标见表3，这种材料一般是粉末状，按一定的比例和甲基乙基丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等有机溶剂充分溶解后，在拉丝时，涂覆在石英光纤上，经过固化、烧结成膜。

这种材料是制造测发光光纤的理想材料，控制成膜后的结晶度的大小就能控制光线从侧面发光的强度，当然，如果要做成端面发光的光纤，就必须要求在烧结成膜后结晶度非常低，不然光线将从侧面透出，影响端面的发光强度。

表3：氟塑料光纤涂层材料的主要技术指标
性能指标
外观白色粉末
融化指数(g/10min) 3.0～8.0
抗拉强度( MPa) ≥50
伸长率( ％) ≥400
折光率（25℃） 1.40～1.42
2、几种材料包层的石英光纤的性能和用途
石英玻璃包层的石英光纤成本最高，含氟丙烯酸树脂包层的石英光纤价格相对较低些，硅橡胶和氟塑料的光学包层的石英光纤价格相对便宜些。

石英玻璃包层的石英光纤用途最广，从紫外光到近红外光，双包层的石英光纤都有很高的透过率，被广泛用于长距离的通信、传感、紫外光特别是大功率紫外光、激光特别是大功率的红外激光传输上，而硬树脂包层的石英光纤主要应用于短距离的光通信、传感、医用红外激光传输等，硅橡胶包层光纤主要用于传感、小功率的半导体激光、小功率的医用理疗激光的传输，氟塑料包层的石英光纤主要用于传感、小功率的紫外光的传输，特别是用于紫外弥散照射，效果很好。

石英、硬树脂、硅橡胶、氟塑料光学包层的石英光纤的性能和用途见表4。

表4：石英、硬树脂、硅橡胶、氟塑料光学包层的石英光纤的性能和用途
性能和用途指标
石英包层光纤硬树脂包层光纤硅橡胶包层光纤氟塑料包层光纤数值孔径0.06～0.30 0.37～0.48 0.37～0.40 0.33～0.40
衰减(@850/1350nm,dB/Km)≤3.2/1.0≤7.0≤8.0≤8.0
通光芯径（微米） 50～1000 200～1500 100～1000 200～400
筛选强度( Kpsi) ≥100≥70≥60
使用温度（℃）-100～1000 -50～85 -50～100 -50～250
用途光通信、传感、大功率激光、大功率紫外光短距离光通信、传感、医用红外激光传感、半导体激光、小功率的医用理疗激光传感、小功率的紫外光，紫外弥散照射
（Kilo-pound per square inch），避免低强度点的存在。

3、石英光纤保护涂层材料的种类和性能
石英光纤的保护涂层涂料主要有丙烯酸树脂（acrylate）、聚酰亚胺（polyimide）和各种金属膜，选用光纤保护涂料主要依据光纤的用途、材料的机械性能、耐温性能的高低来确定。

因为性能优异，可以实现快速拉丝，丙烯酸树脂是现在最常用的涂层材料，无论是用于通信还是非通信的石英光纤在拉制光纤时，通常采用紫外固化的丙烯酸树脂涂料。

丙烯酸涂料一般分为内层和外层两种类型，内外层涂料的抗张模量、抗拉强度、摩擦系数不同，以保护裸光纤、提高光纤抵抗外力的作用，使光纤在预计的使用寿命中能稳定工作。

丙烯酸涂料从耐温性可分为普通型和耐高温型，丙烯酸涂料和丙烯酸涂层的石英光纤主要技术指标见表5。

表5：丙烯酸涂料和丙烯酸涂层的石英光纤主要技术指标
性能指标
内层丙烯酸涂料外层丙烯酸涂料
固化前
(25℃) 密度(g/cm3) 1.0～1.2 1.0～1.2
粘度(mp.s) 5000～6500 4000～5000
固化时间(秒) 1～3 1～3
固化后
(25℃) 抗张模量(Mpa) 1.8 650
抗拉强度(Mpa) 3～4 20～30
伸长率(%) 120～150 10～20
摩擦系数 100～150 0.2～0.6
折光率 1.5～1.55 1.5～1.55
玻璃化温度(℃) -30～-35 30～35
聚酰亚胺（polyimide,简称PI）是在分子主链中含有酰亚胺环状结构的环链高聚物，现在聚酰亚胺已成为较为常见的商业化耐高温高聚物之一。

聚酰亚胺具有优良的综合性能，它能在-200℃～300℃之间维持优良的力学性能和电绝缘性，可在这个温度范围内长期使用，具有突出的耐温性和热氧化稳定性、耐辐射、耐溶剂、低密度以及优异的力学性能和电性能，是耐高温胶粘剂的佼佼者，因此，聚酰亚胺涂层的石英光纤广泛应于恶劣环境中，如高温环境、化学腐蚀和辐射环境中。

聚酰亚胺涂层的石英光纤的主要技术指标见表6。

表6：聚酰亚胺涂层的石英光纤的主要技术指标
性能指标
外观琥珀色
涂层厚度（微米） 10～200
衰减(@850/1350nm,dB/Km) ≤3.2/1.0
通光芯径（微米） 50～1000
筛选强度( Kpsi) ≥100
使用温度(℃) 长期：-200℃～300℃，短期：400℃
金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）是在光纤的表面涂上Cu、A1、Tin等金属层的光纤。

它是应用于苛刻的外界环境的超长寿命光纤之一，也可作为电子电路的部件用。

光纤适合于温度范围从-270°C至700°C，湿度可高达100%。

在高温，真空和苛刻环境条件下，密封金属涂层光纤是最好选择。

各种金属涂层的石英光纤的主要技术指标见表7。

表7：各种金属涂层的石英光纤的主要技术指标
性能指标
A1 Cu Tin
涂层厚度（微米） 15～150 15～50 15～50
筛选强度( Kpsi) ≥100≥100≥100
抗拉强度（GPa） 3.5～6 2.0～3.0 6.0～9.0
使用温度(℃) -270℃～400℃， -270℃～700℃ -270℃～230℃
通光芯径（微米） 50～600
四、总结
通过上述我们可知光纤涂料的重要性，不同的涂料有不同的特性。

跟据有途的不同而需用不同的涂料。

在这个信息时代，我们似乎已经离不开信息的快速传递。

光纤通信作为通信中的重要途径它以自身的各种优势引领着信息时代前进的步伐。

光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号的，目前主要采用石英材料制成的光纤。

要让石英光纤适应各种需求就成了关键。

使用涂料可以满足一些需求。

所以发展光纤涂料重要的。

国外发达的国家里，光纤用各种涂料已相当普遍，无论是紫外固化的丙烯酸涂料，还是耐高温的聚酰亚胺涂料和金属涂层都已广泛应用于石英光纤的生产上，使得石英光纤呈现出多姿多彩的景象，满足了石英光纤的在不同用途、不同环境、不同领域中的应用。

目前在国内，满足了通信光纤和非通信光纤的生产，但是作为特种光纤用的特种涂料技术水平和国外存在着较优大的差距。

我们需要不断开发不断创新，做出先进涂料，同时也要关注生产时产生的污染物的处理，为社会的发展做出贡献。

参考文献：
[1] 张金山. 光纤涂料——一种光学涂料及其应用. 涂料技术和文摘，2006，27（10）；
[2] 高秀敏，蔡春平. 光纤涂料特性及其对光纤强度的影响. 应用光学，2000，21（2）；
[3] 孙学康，张金菊光纤通信技术，人民邮电出版社，。