專利名稱：制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，具體地說是一種采用摻鈦外包層制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
作為典型的無機(jī)非金屬材料，石英玻璃固有的強(qiáng)度是非常高的。理論上，由于離子鍵或共價鍵結(jié)合氧化物材料的鍵能遠(yuǎn)大于金屬鍵結(jié)合的金屬材料，石英纖維的抗拉強(qiáng)度比同樣幾何尺寸的金屬纖維(如銅絲、鋁絲等)高幾個數(shù)量級。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于光纖通信用的SiO2基玻璃裸光纖的表面易被污染(主要是拉絲過程中引入的雜質(zhì)微粒)或腐蝕(主要是水蒸氣、氨氣或其它腐蝕性氣體)，形成缺陷或應(yīng)力中心，在拉應(yīng)力的作用下形成無規(guī)則增長的微裂紋(這種微裂紋無規(guī)則增長的過程稱之為疲勞)，使其抗拉強(qiáng)度呈指數(shù)級下降。
為了減少或杜絕玻璃光纖表面缺陷的形成，改善光纖的力學(xué)性能從而增加光纖的使用壽命，許多研究者做過這方面的工作，目前主要有兩種有效的解決途徑一種是在玻璃光纖的拉制過程中給其表面涂附上塑料保護(hù)層，避免玻璃表面直接與外界接觸，目前拉絲工藝中一般采用的是熱固性、氣固性或紫外固化的樹脂類有機(jī)物涂附；另一種途徑是對玻璃光纖表面進(jìn)行各種處理。人們早已知道在玻璃體的表面預(yù)加一層熱膨脹系數(shù)低的玻璃可以使其抗拉強(qiáng)度增加，因?yàn)檫@種混合體從高溫急冷至室溫的過程中，會在玻璃的表面形成壓應(yīng)力，它能阻止玻璃表面微裂紋的形成和擴(kuò)展。這種解決途徑相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)已有一部分，如Giffen等人申請的GlassFibersI，Cladding，，Journal of the American Ceramic Society，Vol.52，No.12，pp661-4，Dec.1969。目前，前一種技術(shù)途徑比較成熟，已廣泛被國內(nèi)外光纖制造廠商用，而后一種技術(shù)途徑是該技術(shù)領(lǐng)域主要研究的方向。
為了制備這種外表面具有壓應(yīng)力的增強(qiáng)光纖，國內(nèi)外已做過許多嘗試，其中摻鈦的石英外包層光纖的研究是主要方向。公布的文獻(xiàn)重點(diǎn)研究的是外包層摻鈦的濃度和包層厚度對光纖力學(xué)性能的影響。一般認(rèn)為，TiO2-SiO2玻璃根據(jù)TiO2的摻雜濃度可劃分為三個區(qū)域穩(wěn)定區(qū)域(0-10wt％)、亞穩(wěn)區(qū)域(10-18wt％)和不穩(wěn)定區(qū)域(＞18wt％)其中10wt％左右的摻雜濃度可達(dá)較優(yōu)的性能。此外，文獻(xiàn)認(rèn)為光纖表面的微裂紋深度一般在0.5-1.5um，因此，合適的外包層厚度在3um左右較為合適。
美國專利(專利號U.S.Pat.No.5067975、5140665、5180411、6189340)較為詳細(xì)地介紹了采用管外氣相沉積法(OVD工藝)制造摻鈦外包層光波導(dǎo)的生產(chǎn)工藝和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并介紹了一種薄包層增強(qiáng)光波導(dǎo)。采用管外氣相沉積工藝制造摻鈦外包層光波導(dǎo)纖維，其摻鈦過程和制棒過程在同一設(shè)備上進(jìn)行，需對原設(shè)備進(jìn)行較大改進(jìn)，投資大，而且采用此方法鈦的沉積效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的就是針對上述管外氣相沉積法制造工藝的缺陷，提出一種采用溶膠-凝膠法預(yù)合成摻鈦石英玻璃套管，采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝(PCVD工藝)制備設(shè)計(jì)所需波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的玻璃芯棒，二者集合成光纖預(yù)制棒，然后進(jìn)行拉絲，從而制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，以彌補(bǔ)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的不足。
為了實(shí)明上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案本發(fā)明選用高純TiCl4TiCl3或Ti(SO4)2、硅溶膠或SiO2微粉、濃硫酸、鹽酸、氨水和去離子水、有機(jī)溶劑作為化學(xué)原料，純石英玻璃管作為氣相沉積原材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案由五部分組成1)溶膠-凝膠法合成摻鈦石英微粉(見圖3)A、采用溶膠-凝膠法合成摻鈦石英微粉有三種技術(shù)途徑其一，首先制備鈦溶膠，然后把石英微粉均勻分散到上述鈦溶膠之中，通過加入氨水溶液調(diào)節(jié)混合物的PH值(＞3.5的范圍)使膠體包裹到微粉的表面形成凝膠混合物，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，然后對干燥后的粉末再進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉未。
其二，分別制備硅溶膠和鈦溶膠，然后在混合兩種溶膠的過程中，一邊加入稀硫酸或稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)混合膠體的PH值(1-5的范圍)，一邊高速攪拌，使混合物均勻混合但又不絮凝，再加入氨水溶液調(diào)劑混合膠體的PH值(＞3.5的范圍)至膠體形成凝膠，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥完后對干燥后的粉末進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉末。
其三，將高純度的硅溶膠和TiCl3混合，在常溫下攪拌數(shù)小時得到部分凝膠的混合物，再加入稀硫酸和稀鹽酸使混合物絮凝，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，然后對干燥后的粉末進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉末。
B、溶膠-凝膠工藝控制在鈦鹽水解形成溶膠-凝膠的過程中，遵循一般鹽類水解規(guī)律，即a、溶液越稀薄，水解程度越大；反之，溶液越濃，水解程度越小。
b、無論是四氯化鈦還是三氯化鈦、硫酸鈦，都屬于強(qiáng)酸弱堿鹽，溶液呈酸性。
c、水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，加熱能促進(jìn)鈦溶液的水解。尤其是四氯化鈦和三氯化鈦水解時，水解產(chǎn)物HCl具有揮發(fā)性，加熱能促進(jìn)HCl不斷脫離溶液，從而促進(jìn)水解反應(yīng)更加劇烈。
因此，在制備鈦鹽的溶膠-凝膠的過程中，根據(jù)鈦鹽水解的原理，通過嚴(yán)格控制溶液濃度、調(diào)節(jié)溶液PH值以及控制反應(yīng)溫度(20-120℃)來控制整個反應(yīng)過程，包括摻鈦濃度(0-15％重量比)和均勻性，凝膠顆粒大小和致密度等。
2)微粉的玻璃化采用溶膠-凝膠法合成的摻鈦微粉顆粒粒度在1mm以下、化學(xué)吸附水含量高，在玻璃化的過程中主要是使其脫氣、脫水。本發(fā)明可以采用兩種玻璃化工藝其一，將摻鈦微粉置于高頻石墨電爐中在1800℃以上的溫度范圍內(nèi)熔融數(shù)小時，選用石墨模具拉制成摻鈦石英玻璃管；其二，采用氣煉法把摻鈦微粉沉積在高純石英玻璃管的外表面，再將所得玻璃管置于退火爐中通氯氣在900-1200℃溫度范圍內(nèi)處理10-30小時進(jìn)行脫水處理和消除應(yīng)力。
3)芯棒的制備眾所周知，PCVD工藝是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜折射率剖面較優(yōu)的化學(xué)氣相沉積工藝，每次沉積玻璃層的厚度可以控制在幾個微米的數(shù)量級。根據(jù)不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)沉積過程中鍺離子和氟離子的摻雜濃度可以精確實(shí)現(xiàn)所需芯棒的折射率剖面。
4)光纖預(yù)制棒的制備所得摻鈦石英玻璃管和芯棒分別用氫氧焰進(jìn)行拋光，再分別進(jìn)行堿性溶液和酸性溶液的浸泡，然后用去離子水沖洗，再用揮發(fā)性有機(jī)溶劑去除吸附水，最后將玻璃加工后的芯棒插入摻鈦的石英玻璃套管中得到光纖預(yù)制棒。
5)拉制光纖所得光纖預(yù)制棒采用套管法拉絲工藝在常規(guī)拉絲塔上進(jìn)行拉絲，其拉絲工藝應(yīng)控制拉絲溫度(1800-2000℃的溫度范圍)和光纖的幾何結(jié)構(gòu)。理論上，預(yù)制棒各界面層的橫截面是按比例縮小到所拉光纖中的。根據(jù)光纖幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)時需精確控制，一般重點(diǎn)控制光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)，再通過小范圍的調(diào)節(jié)拉絲溫度控制光纖的外徑和外包層的幾何尺寸(≤10um)。對于單獨(dú)拉制的TiO2-SiO2合成玻璃管，可以根據(jù)設(shè)備能力沉積較大幾何比例的芯棒，降低TiO2-SiO2合成玻璃管橫截面積的控制難度。
本發(fā)明具有以下有益效果1、增加了光纖的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能通過摻雜處理，在光纖外表面預(yù)加了壓應(yīng)力，能阻止光纖在拉應(yīng)力作用下微裂紋的形成和擴(kuò)展，達(dá)到高強(qiáng)度抗疲勞的性能。2、降低了成本本發(fā)明使摻鈦石英玻璃管的合成工藝與光纖生產(chǎn)設(shè)備脫離，對原有投資巨大的光纖制造設(shè)備無任何改造，也不影響常規(guī)光纖的正常生產(chǎn)工藝。此外，本發(fā)明的溶膠-凝膠法合成摻鈦石英玻璃管設(shè)備投資遠(yuǎn)小于已公布專利專用的光纖預(yù)制棒生產(chǎn)設(shè)備。


圖1為本發(fā)明的工藝路線圖；
圖2為本發(fā)明合成TiO2-SiO2微粉工藝路線圖；圖3為本發(fā)明方法制的摻鈦外包層光波導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)示意圖。
1芯層 2內(nèi)包層 3摻鈦外包層具體實(shí)施方式
以下列舉部分實(shí)施例，對本發(fā)明方法做進(jìn)一步描述
權(quán)利要求
1.一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，它由以下步驟組成1)采用溶膠—凝膠法合成摻鈦石英微粉；2)將摻鈦石英微粉制成摻鈦石英玻璃管；3)采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝制成芯棒；4)采用套管法合成光纖預(yù)制棒；5)將光纖預(yù)制棒采用套管法拉絲工藝進(jìn)行拉絲，即得高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維。
2.權(quán)利要求1的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中摻鈦石英微粉采用下述方法制備首先制備鈦溶膠，然后把石英微粉均勻分散到鈦溶膠之中，加入氨水溶液調(diào)節(jié)混合物的PH值使膠體包裹到微粉的表面形成凝膠混合物，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，然后對干燥后的粉末再進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉未。
3.權(quán)利要求1的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中摻鈦石英微粉采用下述方法制備分別制備硅溶膠和鈦溶膠，然后將兩種溶膠混合，一邊加入稀酸溶液調(diào)節(jié)混合膠體的PH值，一邊高速攪拌，使混合物均勻混合但又不絮凝，再加入氨水溶液調(diào)劑混合膠體的PH值至膠體形成凝膠，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥完后對干燥后的粉末進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉末。
4.權(quán)利要求1的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中摻鈦石英微粉采用下述方法制備將高純度的硅溶膠和TiCl3混合，在常溫下攪拌數(shù)小時得到部分凝膠的混合物，再加入稀酸使混合物絮凝，去掉溶液，收集凝膠混合物，再用去離子水沖洗，然后在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，然后對干燥后的粉末進(jìn)行沖洗，再在70-500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行干燥，得到不含雜質(zhì)離子的TiO2-SiO2粉末。
5.權(quán)利要求2、3或4的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中溶膠和凝膠過程中的溫度為20-120℃。
6.權(quán)利要求1的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中摻鈦石英玻璃管采用下述方法制備將摻鈦微粉置于高頻石墨電爐中在1800℃以上的溫度范圍內(nèi)熔融數(shù)小時，選用石墨模具拉制成摻鈦石英玻璃管。
7.權(quán)利要求1的一種制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的生產(chǎn)工藝，其中摻鈦石英玻璃管采用下述方法制備采用氣煉法把摻鈦微粉沉積在高純石英玻璃管的外表面，再將所得玻璃管置于退火爐中通氯氣在900-1200℃溫度范圍內(nèi)處理10-30小時進(jìn)行脫水處理和消除應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用摻鈦外包層制造高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維的工藝,它由以下步驟組成:1)采用溶膠－凝膠法合成摻鈦石英微粉;2)將摻鈦石英微粉制成摻鈦石英玻璃管;3)采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝制備芯棒;4)采用套管法合成光纖預(yù)制棒;5)將光纖預(yù)制棒采用套管法拉絲工藝進(jìn)行拉絲,即得高強(qiáng)度抗疲勞光波導(dǎo)纖維。它解決了現(xiàn)有工藝摻鈦過程和制棒過程在同一設(shè)備上進(jìn)行,需對原設(shè)備進(jìn)行較大改進(jìn),投資大,而且鈦的沉積效率較低的問題。采用本發(fā)明可以增加光纖的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能。
文檔編號C03B37/027GK1356277SQ0113354
公開日2002年7月3日 申請日期2001年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月10日
發(fā)明者童維軍, 王鐵軍, 曹宇青, 謝康 申請人:長飛光纖光纜有限公司