光纖拉絲工藝

光纖拉絲工藝第一頁，共二十頁，2022年，8月28日第四節(jié)光纖拉絲技術(shù)及涂覆工藝

光纖拉絲：將制備好的光纖預(yù)制棒，利用某種加熱設(shè)備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細(xì)小光纖纖維，并保證光纖的芯/包直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)：如何保證不使光纖表面受到損傷并正確控制芯/包層外徑尺寸及折射率分布形式。如果光纖表面受到損傷，將會(huì)影響光纖機(jī)械強(qiáng)度與使用壽命，而外徑發(fā)生波動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)不完善不僅會(huì)引起光纖波導(dǎo)散射損耗，而且在光纖接續(xù)時(shí)，連接損耗也會(huì)增大，因此在控制光纖拉絲工藝流程時(shí)，必須使各種工藝參數(shù)與條件保持穩(wěn)定。

第二頁，共二十頁，2022年，8月28日一次涂覆工藝：將拉制成的裸光纖表面涂覆上一層彈性模量比較高的涂覆材料。作用：保護(hù)拉制出的光纖表面不受損傷，并提高其機(jī)械強(qiáng)度，降低衰減。在工藝上，一次涂覆與拉絲是相互獨(dú)立的兩個(gè)工藝步驟，而在實(shí)際生產(chǎn)中，一次涂覆與拉絲是在一條生產(chǎn)線上一次完成的。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日一、拉絲工藝1、拉絲裝置組成光纖預(yù)制棒的拉絲機(jī)由五個(gè)基本部分構(gòu)成：(1)光纖預(yù)制棒饋送系統(tǒng)；(2)加熱系統(tǒng)；(3)拉絲機(jī)構(gòu)；(4)各參數(shù)控制系統(tǒng)；(5)水冷卻和氣氛保護(hù)及控制系統(tǒng)。五者之間精確的配合構(gòu)成完整拉絲工藝。具體的機(jī)械和電氣設(shè)備系統(tǒng)包括：機(jī)械系統(tǒng)拉絲塔架、送棒及調(diào)心系統(tǒng)、加熱爐、激光測徑儀、牽引裝置、水氣管路系統(tǒng)，電氣部分送棒控制及調(diào)心控制系統(tǒng)、加熱爐控制系統(tǒng)、外徑測控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、冷卻水及保護(hù)氣氛控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、PLC信號(hào)處理系統(tǒng)等。第四頁，共二十頁，2022年，8月28日第五頁，共二十頁，2022年，8月28日2、操作工藝將已制備好的預(yù)制棒安放在拉絲塔（機(jī)）上部的預(yù)制棒饋送機(jī)構(gòu)的卡盤上。饋送機(jī)構(gòu)緩慢地將預(yù)制棒送入高溫加熱爐內(nèi)。在Ar氣氛保護(hù)下，高溫加熱爐將預(yù)制棒尖端加熱至2000oC，在此溫度下，足以使玻璃預(yù)制棒軟化，軟化的熔融態(tài)玻璃從高溫加熱爐底部的噴嘴處滴落出來并凝聚形成一帶小球細(xì)絲，靠自身重量下垂變細(xì)而成纖維，即我們所說的裸光纖。將有小球段纖維稱為“滴流頭”，操作者應(yīng)及時(shí)將滴流頭去除，并預(yù)先采用手工方式將已涂覆一次涂層的光纖頭端繞過拉絲塔上的張力輪、導(dǎo)輪、牽引輪后，最后繞在收線盤上。然后再啟動(dòng)自動(dòng)收線裝置收線。第六頁，共二十頁，2022年，8月28日3、關(guān)鍵技術(shù)：(1)饋送速度預(yù)制棒送入高溫加熱爐內(nèi)的饋送速度主要取決于高溫爐的結(jié)構(gòu)、預(yù)制棒的直徑、光纖的外徑尺寸和拉絲機(jī)的拉絲速度，一般約為0.002～0.003cm/s。(2)外徑控制在拉絲工藝中不需要模具控制光纖的外徑，因?yàn)槟＞邥?huì)在光纖表面留下?lián)p傷的痕跡，降低光纖的強(qiáng)度。絕大多數(shù)光纖制造者是將高溫加熱爐溫度和送棒速度保持不變，通過改變光纖拉絲速度的方法來達(dá)到控制光纖外徑尺寸的目的。第七頁，共二十頁，2022年，8月28日在正常狀態(tài)，若預(yù)制棒的饋送速度為V，光纖的拉絲速度為Vf，預(yù)制棒的外徑為D，裸光纖的外徑為d。根據(jù)熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積的特點(diǎn)，可知，前三者與光纖的外徑有如下關(guān)系： VD2=Vfd2因此，光纖的外徑可由上式給出：d2=VD2/Vf

第八頁，共二十頁，2022年，8月28日(3)加熱裝置熱源不僅要提供足以熔融石英玻璃的2000oC以上高溫，還必須在拉制區(qū)域能夠非常精確的控制溫度，因?yàn)樵谲浕秶鷥?nèi)，玻璃光纖的精度隨溫度而變化，在此區(qū)域內(nèi)，任何溫度梯度的波動(dòng)都可能引起不穩(wěn)定性而影響光纖直徑的控制。同時(shí)，由于2000oC的高溫已超過一般材料的熔點(diǎn)，因而加熱爐的設(shè)計(jì)是拉絲技術(shù)的又一關(guān)鍵技術(shù)。常用的拉絲熱源有：(1)氣體噴燈；(2)各種電阻及感應(yīng)加熱爐；(3)大功率CO2激光器。第九頁，共二十頁，2022年，8月28日①氣體噴燈：歷史上應(yīng)用火焰燃燒器把高溫玻璃拉制成纖維的例子甚多，一般都采用氫氧或氧-煤氣噴燈，這種加熱設(shè)備本身存在火焰騷動(dòng)問題，因而拉制的光纖外徑尺寸控制精度一直不高。目前，這種方法極少應(yīng)用。②石墨加熱爐(石墨電阻爐)：采用直流或工頻交流電源為石墨爐加熱，在加熱中為防止石墨材料在高溫下發(fā)生氧化，進(jìn)而產(chǎn)生粉塵污染，一般需采用惰性氣體如Ar氣或氮?dú)膺M(jìn)行氣氛保護(hù)。由于加熱爐中充入Ar保持，而爐內(nèi)Ar的紊亂流動(dòng)將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度的變化。因此必須對(duì)保護(hù)氣體Ar的流量進(jìn)行控制，以保持爐溫的穩(wěn)定。在拉制光纖時(shí)，需安裝光纖外徑測量儀反饋測量光纖外徑的變化情況，因此可通過這一反饋測量值的變化來控制保護(hù)氣體Ar的流量，使光纖外徑的變化量控制在允許（1um）范圍內(nèi)。第十頁，共二十頁，2022年，8月28日③氧化鋯(ZrO2)感應(yīng)加熱爐：利用氧化鋯材料在常溫下為絕緣體，接近1500oC時(shí)，就會(huì)變成導(dǎo)體的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造。其本身既可作爐管又是加熱體，在高頻感應(yīng)場中加熱。因?yàn)檠趸喌难趸瘻囟仍?500oC。因此氧化鋯感應(yīng)爐一般不需要?dú)夥毡Ｗo(hù)，但在制造光纖時(shí)，為隔離空氣降低制造過程中產(chǎn)生的衰減，必須充Ar氣進(jìn)行氣氛保護(hù)。④高功率激光器：用激光拉制光纖的清凈度是各種方法無法比擬的，因?yàn)樵诶z過程中，激光器自身不會(huì)帶來任何污染；而在光纖直徑的控制上，在不需控制環(huán)的幫助下，大長度光纖直徑的偏差小于標(biāo)準(zhǔn)值的1%，且加熱溫度穩(wěn)定不變。常用的激光器為CO2激光器。第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日二、涂覆光纖一次涂覆工藝之所以稱為“一次涂覆”是相對(duì)二次涂覆而言。一次涂覆是對(duì)光纖最直接的保護(hù)，所以顯得尤為重要。SiO2玻璃是一種脆性易斷裂材料，在不加涂覆材料時(shí)，由于光纖在空氣中裸露，致使表面缺陷擴(kuò)大，局部應(yīng)力集中，易造成光纖強(qiáng)度極低，為保護(hù)光纖表面，提高抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，需要給裸光纖涂覆一層或多層高分子材料，通過測徑儀后光纖要經(jīng)過足夠的冷卻時(shí)間才可進(jìn)行涂覆。第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日1、涂覆層的作用(雙層)：①內(nèi)層：選擇折射率比石英玻璃偏大且彈性模量較低的聚合物涂層→吸收透過包層得多余光和保護(hù)光纖表面損傷、使用中緩沖外界應(yīng)力；②外層：硬、彈性模量高→防止磨損和提供強(qiáng)度2、涂料：①熱固性硅樹脂液體②紫外光固化丙烯酸酯液體③聚氨基甲酸乙酯第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日3、涂覆裝置：1)無外部加壓開口杯式2)壓力涂覆器第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日采用簡單的無外部加壓開口杯式涂覆器，移動(dòng)中的光纖會(huì)粘附一些液體涂料，并穿過一個(gè)使涂料在光纖上自對(duì)中可調(diào)模具口，涂層厚度由模具口大小和光纖直徑?jīng)Q定。但這種結(jié)構(gòu)涂覆器，在高速拉絲時(shí)（V>1000m/s）得不到均勻涂敷層。因此，現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用更普遍的是壓力涂敷器。這種結(jié)構(gòu)涂覆器最適合用于高速拉絲，而且不會(huì)在涂料中攪起氣泡。第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日4、涂層厚度如果僅從機(jī)械強(qiáng)度考慮，涂層越厚越好，若綜合考慮光纖的傳輸特性，涂層太厚，不僅在彎曲、拉伸及溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生微彎，同時(shí)還會(huì)成為光纖損耗增加的主要原因，此外，涂層材料的機(jī)械特點(diǎn)，也嚴(yán)重影響光纖的傳輸特性。絕大多數(shù)光纖的涂層厚度控制在125-250微米，但特殊光纖的涂層直徑高達(dá)1000微米，調(diào)節(jié)涂覆器端頭的小孔直徑、錐體角度和高分子材料的粘度，可以得到規(guī)定厚度的涂覆層材料。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日紫外固化工藝主要設(shè)備是紫外固化爐，它是由一組對(duì)放的半橢圓形紫外燈組成，一般有3-7個(gè)紫外燈?；竟袒硎遣捎米贤夤庹展袒?，以特定頻率的紫外燈光（簡稱UV）照射對(duì)該頻段UV有敏感的涂料(如丙烯酸酯)，且滿足一定時(shí)間和強(qiáng)度要求，使涂層固化。5、固化工藝：①熱固化②紫外光燈固化第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日★光纖涂覆層的剝除當(dāng)光纖與光纖連接時(shí)，靠近連接端面一段的涂層應(yīng)當(dāng)被剝除，從玻璃上除去各種聚合物的方法有多種，最有效最實(shí)用的方法是將涂覆光纖夾在二片ScottFelt紙板中間，浸泡在熱的丙二醇溶液中，溶液溫度為160℃，約浸泡30秒鐘，用夾鉗把光纖夾出，涂覆層被紙墊片吸住而滑落。第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日三、收絲1、一般采用涂有橡膠的牽引輪和牽引裝置、張力控制輪、收排線盤等設(shè)備完成。牽引拉絲輪的速度在10～20m/s間，要求保證光纖所受拉力為“零”。

排線質(zhì)量直接影響光纖的衰減，要求排線平整、無壓線、夾線現(xiàn)象?？刂坪门啪€質(zhì)量的關(guān)鍵是第一層光纖的排線質(zhì)量，首先，要調(diào)整好排線節(jié)距的大小，其次要控制制好光纖與收線圓盤邊緣