第四节光纤拉丝技术及涂覆工艺

第四章 光纤制造技术
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2、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 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2000º C，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 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 维称为“滴流头”，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、 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。
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③氧化锆(ZrO2)感应加热炉：利用氧化锆材料在常温下为绝缘 体，接近1500º C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 氧化温度在2500º C。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 须充Ar气进行气氛保护。 ④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
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 径的偏差小于标准值的1%，且加热温度稳定不变。常用的激 光器为CO2激光器。
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二、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。 光纤一次涂覆工艺之所以称为“一次涂覆”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。 SiO2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 材料，
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1、涂覆层的作用(双层)：
①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→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； ②外层：硬、弹性模量高→防止磨损和提供强度
2、涂料：①热固性硅树脂液体
②紫外光固化丙烯酸酯液体 ③聚氨基甲酸乙酯
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3、涂覆装置：1)无外部加压开口杯式
2)压力涂覆器
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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 具口，涂层厚度由模具口大小和光纤直径决定。但这种结构 涂覆器，在高速拉丝时（V>1000m/s）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 器最适合用于高速拉丝，而且不会在涂料中搅起气泡。
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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 较高的涂覆材料。 作用：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。 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。
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一、拉丝工艺
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4、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 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 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125-250微米 ，但特殊光纤的涂层直径高达1000 微米 ，调节涂覆器端头的小孔直径、锥体角度和高分子材料的 粘度，可以得到规定厚度的涂覆层材料。
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5、固化工艺： ①热固化
②紫外光灯固化
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3-7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UV） 照射对该频段UV有敏感的涂料(如丙烯酸酯) ，且满足一定 时间和强度要求，使涂层固化。
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在正常状态，若预制棒的馈送速度为V，光纤的拉丝速度为
Vf，预制棒的外径为D，裸光纤的外径为d。根据熔化前的棒体 容积等于熔化拉丝后光纤的容积的特点，可知，前三者与光纤 的外径有如下关系： VD2=Vfd2
因此，光纤的外径可由上式给出：d2=VD2/Vf
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(3)加热装置
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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 排线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在10～20m/s间，要求 保证光纤所受拉力为“零”。
2、卷绕方式： ①大卷装 排线质量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，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(7-8μm)，否则，将会出现夹线、断线等现象。
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3、关键技术：
(1)馈送速度 预制棒送入高温加热炉内的馈送速度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 为0.002～ 0.003cm/s。
(2)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
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，通过改变光纤拉丝 速度的方法来达到控制光纤外径尺寸的目的。
1、拉丝装置组成 光纤预制棒的拉丝机由五个基本部分构成：(1)光纤预制棒馈 送系统；(2)加热系统；(3)拉丝机构；(4)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完整 拉丝工艺。 具体的机械和电气设备系统包括：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， 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 面、PLC信号处理系统等。
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①气体喷灯：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-煤气喷灯，这种加热设备 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，这种方法极少应用。
②石墨加热炉(石墨电阻炉)：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 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。 由于加热炉中充入Ar保持，而炉内Ar的紊乱流动将导致炉内温 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 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 保护气体Ar的流量，使光纤外径的变化量控制在允许（1um） 范围内。
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★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，
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Scott Felt纸板中间，浸泡在热的丙 二醇溶液中，溶液温度为160℃，约浸泡30秒钟，用夹钳把 光纤夹出，涂覆层被纸垫片吸住而滑落。
热源不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000º C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， 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， 由于2000º C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：(1)气体 喷灯；(2)各种电阻及感应加热炉；(3)大功率CO2激光器。
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第四节 光纤拉丝技术及涂覆工艺
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第四节 光纤拉丝技术及涂覆工艺
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 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 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，最重要的技术：如何保证不使光纤表面受 到损伤并正确控制芯/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， 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 拉丝工艺流程时，必须使各种工艺参数与条件保持稳定。
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排线方式有三种：矩形排线、梯形排线和倒梯形排线。
矩形排线
梯形排线 倒梯形排线 ②自动换筒：纤头的捕获