一種精密玻璃毛細(xì)管的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種精密玻璃毛細(xì)管的制備方法。包括以下步驟：（1）采用精密玻璃管冷加工技術(shù)對(duì)原始坯管進(jìn)行外磨內(nèi)鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%，內(nèi)孔公差、橢圓度不大于1%，同心度不大于1mm的外套管；（2）將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內(nèi)徑比外套管稍大的延長(zhǎng)管；（3）選用若干玻璃絲和玻璃管進(jìn)行堆積、排列后從接有延長(zhǎng)管一端插入外套管中組裝成毛細(xì)管預(yù)制棒；（4）對(duì)玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒進(jìn)行拉絲；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所拉制的玻璃毛細(xì)管內(nèi)、外徑及橢圓度，并完成切割。本發(fā)明解決了硼硅玻璃毛細(xì)管尺寸精度難以保證的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外徑大于50mm、外內(nèi)徑比靈活可調(diào)節(jié)的玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒的制備及拉絲。
【專利說明】一種精密玻璃毛細(xì)管的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖固定和連接用精密玻璃毛細(xì)管的制備方法，屬于光通信無源器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光器件是構(gòu)建光通信網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，無論是高速光傳輸設(shè)備、長(zhǎng)距離光傳輸設(shè)備、光接入系統(tǒng)，還是最近廣泛受關(guān)注的智能光網(wǎng)絡(luò)，它們的發(fā)展都取決于光器件技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的更新?lián)Q代的速度，隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的突破，光器件正向小型化、集成化、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的方向發(fā)展。光纖固定座、光纖準(zhǔn)直器等光器件為光纖通信系統(tǒng)及光纖傳感系統(tǒng)中的基礎(chǔ)光學(xué)元器件，而在這些基礎(chǔ)元器件中都離不開精密光纖定位和連接用的玻璃毛細(xì)管(以下簡(jiǎn)稱為玻璃毛細(xì)管)，以實(shí)現(xiàn)無源光器件和有源光電器件的光信號(hào)在光纖介質(zhì)中的傳輸。
[0003]光器件用玻璃毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)一般具有如下特征:內(nèi)孔至少包括便于光纖穿入的孔徑漸變區(qū)(以下簡(jiǎn)稱為喇叭口)和間隙配合方式固定光纖包層的均勻孔徑區(qū)；外形特征根據(jù)固定方式一般為圓形、方形、或帶平行面和弧形面的形狀。根據(jù)單根玻璃毛細(xì)管所固定光纖的數(shù)量，常用的玻璃毛細(xì)管有單纖型(如圓對(duì)稱型)和多纖型(如跑道型、陣列型)。由于光纖本身尺寸小，而要求的定位精度非常高，所以對(duì)固定光纖用的玻璃毛細(xì)管有著嚴(yán)格的要求，通常衡量玻璃毛細(xì)管產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)為插入損耗、內(nèi)孔橢圓度、外徑一致性、極限環(huán)境下使用壽命。如單纖毛細(xì)管的毛細(xì)孔尺寸公差一般要求在0.126 (-0.000，+0.003) mm，橢圓度小于0.005mm。
[0004]制備帶喇叭口的玻璃毛細(xì)管一般采用兩步法:第一步采用拉伸技術(shù)把預(yù)成型的玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒拉制成滿足或接近玻璃毛細(xì)管幾何規(guī)格的均勻玻璃管，在線或離線切割成毛細(xì)管坯料；第二步對(duì)毛細(xì)管內(nèi)孔進(jìn)行端部喇叭口擴(kuò)孔?？梢钥闯?，玻璃毛細(xì)管的內(nèi)孔和外徑的精度主要取決于第一步玻璃毛細(xì)`管預(yù)制棒的制備和毛細(xì)管的拉制技術(shù)。
[0005]國(guó)內(nèi)已有部分專利公示了采用相關(guān)的拉絲設(shè)備和方法來制備玻璃絲或玻璃管。如專利CN1347393A，報(bào)道了一種圓柱形石英玻璃部件拉制方法。采用該方法可以有效避免拉制的圓柱體產(chǎn)生翹曲和偏離理想形狀的誤差。但是該方法只適用于幾何尺寸比較理想的石英玻璃坯管的拉制，當(dāng)坯管的尺寸偏差較大時(shí)，所拉制的玻璃圓柱體的尺寸一致性難以保證。一般的光通信器件用玻璃管坯管是采用拉伸技術(shù)拉制出來的，高溫拉制出來的原始硼硅玻璃坯管內(nèi)外徑尺寸的一致性和橢圓度很難保證，因此專利CN1347393A所述的方法并不適用于坯管尺寸偏差比較大的玻璃坯管的拉制；另一方面，該方法只涉及圓柱形的玻璃部件的拉制，并不能確保方形玻璃毛細(xì)管的拉制效果，因而具有一定的局限性。又如專利CN202881089U中提出的一種玻璃毛細(xì)管拉絲機(jī)，可以精確控制毛細(xì)管內(nèi)外徑尺寸。但是專利中并沒有提供如何制作玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒，由于實(shí)際中通過拉絲的方法難以產(chǎn)生外徑大于50mm的，同時(shí)滿足外內(nèi)徑比大于10的硼硅玻璃坯管，因而該方法并不具有實(shí)用性。在日本專利JP4021537A說明書中公開了一種毛細(xì)管制備方法，將氣體輸入玻璃管內(nèi)，綜合采集加熱爐，氣體輸入源閥門，驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)數(shù)據(jù)后經(jīng)反饋處理以實(shí)現(xiàn)精確控制毛細(xì)管內(nèi)徑和外內(nèi)徑比的效果。但該專利涉及的材質(zhì)為石英，其加熱溫度比硼硅玻璃溫度高出1000攝氏度以上，并且在高溫拉絲過程中，玻璃毛細(xì)管溫度、內(nèi)徑等參數(shù)變化，使得通往管內(nèi)的實(shí)際氣體壓力難以控制，導(dǎo)致內(nèi)徑控制不夠精確，因而拉出的毛細(xì)管內(nèi)外徑一致性難以滿足實(shí)用要求。
[0006]本發(fā)明的一些術(shù)語的定義為:
[0007]為了方便描述，做以下定義:
[0008]預(yù)制棒:用于玻璃材料拉絲的核心原材料，即用于拉絲的玻璃特種預(yù)制大棒；
[0009]橢圓度:橢圓或類圓的最大直徑與最小直徑之差；
[0010]外內(nèi)徑比:圓柱體的外圓直徑和內(nèi)圓直徑大小的比值，本專利中指毛細(xì)管、玻璃管或套管的外徑與內(nèi)徑的比值；
[0011]等效外內(nèi)徑比:組裝成的預(yù)制棒等效成一個(gè)帶孔的柱體后所計(jì)算得到的外徑和內(nèi)徑的比值。
[0012]外套管:原始硼硅玻璃坯料經(jīng)精密機(jī)械加工后的大尺寸、高幾何精度的柱狀玻璃管，其外內(nèi)徑比一般不超過3;
[0013]中心玻璃管:毛細(xì)管預(yù)制棒中用于填充套管內(nèi)孔的外徑均勻的中間空心的玻璃 管。
[0014]填充區(qū)域:毛細(xì)管預(yù)制棒中中心玻璃管與外套管之間可以用來填充實(shí)心玻璃絲或玻璃管的部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，解決硼硅玻璃毛細(xì)管尺寸精度難以保證的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外徑大于50mm、外內(nèi)徑比靈活可調(diào)節(jié)的玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒的制備及拉絲，以解決玻璃毛細(xì)管產(chǎn)品一致性不好的問題。
[0016]為解決硼硅玻璃毛細(xì)管尺寸精度難以控制問題，本發(fā)明從兩個(gè)方面進(jìn)行努力:首先，利用精密冷加工技術(shù)對(duì)硼硅玻璃坯管進(jìn)行外磨和內(nèi)鏜，以制備外徑公差、橢圓度不大于
1.5%,內(nèi)孔公差、橢圓度不大于1%,同心度不大于lmrn，沿長(zhǎng)度方向一致性良好、光潔度良好的外套管。通過減小原材料的公差來消除其對(duì)毛細(xì)管內(nèi)外徑尺寸的影響，可以有效加強(qiáng)毛細(xì)管尺寸一致性；另一方面，在拉絲過程中，采用嚴(yán)格的溫度和壓強(qiáng)控制，保證拉絲過程中加熱爐內(nèi)的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)恒定，可以有效減小拉絲過程中毛細(xì)管絲徑的波動(dòng)，并且有效的在線監(jiān)測(cè)手段及時(shí)為毛細(xì)管內(nèi)外徑測(cè)量提供反饋信息，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)牽引速度來穩(wěn)定毛細(xì)管外徑。
[0017]為解決外內(nèi)徑比可調(diào)的大外徑毛細(xì)管預(yù)制棒制備難的問題，本發(fā)明利用精密冷加工技術(shù)制備的大外徑高精度的外套管，以基于組裝法的光子晶體光纖拉絲作為原型，通過在外套管內(nèi)嵌套置入中心玻璃管和玻璃絲填充物來實(shí)現(xiàn)大外徑的預(yù)制棒的組裝，利用在填充區(qū)域內(nèi)抽負(fù)壓處理，可以實(shí)現(xiàn)間隙的較好融合。這樣，大棒工藝可以提高毛細(xì)管的產(chǎn)能和產(chǎn)品批次一致性；改變中心玻璃管的內(nèi)徑和外套管的外徑可以實(shí)現(xiàn)不同等效外內(nèi)徑比的預(yù)制棒，從而可以靈活實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的毛細(xì)管的拉制。[0018]本發(fā)明包括以下步驟:
[0019](I)采用精密玻璃管冷加工技術(shù)對(duì)原始坯管進(jìn)行外磨內(nèi)鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%,內(nèi)孔公差、橢圓度不大于1%,同心度不大于Imm,沿長(zhǎng)度方向一致性良好的外
套管；
[0020](2)采用高溫拉伸技術(shù)將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內(nèi)徑比外套管稍大的延長(zhǎng)管；
[0021](3)選用若干玻璃絲和玻璃管按照一定規(guī)則進(jìn)行堆積、排列后從接有延長(zhǎng)管一端插入外套管中組裝成毛細(xì)管 預(yù)制棒；
[0022](4)采用控溫控壓拉絲技術(shù)，對(duì)玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒進(jìn)行拉絲；
[0023](5)拉絲過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所拉制的玻璃毛細(xì)管內(nèi)、外徑及橢圓度，并完成切割、挑選、分類。
[0024]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，用于外套管焊接的延長(zhǎng)管的外徑不大于外套管的外徑，內(nèi)徑不應(yīng)小于外套管的內(nèi)徑，焊接溫度范圍:900°C~1100°C。作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述毛細(xì)管預(yù)制棒是由材質(zhì)相同的外套管、中心玻璃管及填充區(qū)域構(gòu)成。其中包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充區(qū)域可選擇性的填充或不填充玻璃絲。中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm,有效橫截面積占外套管有效橫截面積的1%~10%,內(nèi)孔橢圓度小于0.5%,長(zhǎng)度大于外套管的長(zhǎng)度；填充區(qū)域邊界與外套管內(nèi)孔的間隙不大于5_;外套管可為圓筒形玻璃管也可為其它形狀的柱狀體，如外方內(nèi)圓的套管，套管外徑:30mm-80mm ;預(yù)制棒的等效外內(nèi)徑比:3~25。
[0025]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，用于拉制玻璃毛細(xì)管的坯管、中心玻璃管、填充區(qū)域材料均是硼硅酸鹽玻璃材料，其理化性質(zhì)滿足:質(zhì)量成分=SiO2:78%~82% ；B203:11%~15% ；Na2O, K2O:3% ~5% ；A1203:1.5%-2.5% ；Fe/Zr/Ca 氧化物:<1% ;線膨脹系數(shù)(20 ~300。。):(3.3±0.1)*10_6/K ;退火溫度；560±20°C ;軟化溫度:820±20°C ;轉(zhuǎn)化溫度；1230±20°C ；
[0026]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，用于制造玻璃毛細(xì)管的拉絲溫度為870°C~940°C，中間區(qū)域壓力絕對(duì)值范圍是0-0.05Mpa。
[0027]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的切割、挑選、分類的基準(zhǔn)為:切割長(zhǎng)度為:700-1200mm，
按外徑大小、內(nèi)徑合格與否、橢圓度大小對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行挑選，分為一等品、二等品、不合格品O
[0028]本發(fā)明的特點(diǎn)和產(chǎn)生的積極效果為:
[0029]首先對(duì)玻璃坯管進(jìn)行精密冷加工，有效消除原始坯管橢圓度不好、內(nèi)外徑尺寸波動(dòng)大對(duì)毛細(xì)管精度的影響，實(shí)現(xiàn)一致性良好的大外徑外套管，再利用堆積組裝工藝制備玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒，容易制作出外內(nèi)徑比為3-25的玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒，使得生產(chǎn)不同型號(hào)的毛細(xì)管的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單靈活。大棒的制備技術(shù)可以有效提高拉出毛細(xì)管產(chǎn)品的產(chǎn)能和產(chǎn)品批次一致性，并且在拉絲過程中采用在線絲徑監(jiān)測(cè)可以有效實(shí)現(xiàn)高精度的毛細(xì)管拉絲。整套工藝簡(jiǎn)單、方法靈活，適合低成本、大批量生產(chǎn)外徑波動(dòng)小、內(nèi)孔形狀、批次一致性良好的玻璃毛細(xì)管，方便實(shí)現(xiàn)光纖與器件的連接、固定，提高穩(wěn)定性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明用于制造高精度玻璃毛細(xì)管的方法流程圖。[0031]圖2是本發(fā)明玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒堆積組合橫截面示意圖。
[0032]圖3是本發(fā)發(fā)明玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒剖視圖。
[0033]圖4為本發(fā)明實(shí)施案例I的毛細(xì)管預(yù)制棒結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。
[0034]圖5為本發(fā)明實(shí)施案例2的毛細(xì)管預(yù)制棒結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。
[0035]1:中心玻璃管2:外套管3:填充區(qū)域4:堵頭上出氣孔；5:密封用堵頭6:拉錐焊接后的外套管7:填充玻璃管A8:填充玻璃管B9:填充玻璃絲10:中心玻璃管All:中心玻璃管B
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下參照附圖以實(shí)例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述:
[0037]實(shí)施例一:1.8*0.126單孔毛細(xì)管制備實(shí)施例
[0038]按本發(fā)明方法，表1列出一種典型硼硅酸鹽玻璃原材料的物化性能指標(biāo)。
[0039]表1硼硅酸鹽玻璃原材料性能指標(biāo)
性能指標(biāo)單位中心值(典公差范圍
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，它包括以下步驟: (1)、采用精密玻璃管冷加工技術(shù)對(duì)原始坯管進(jìn)行外磨內(nèi)鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%，內(nèi)孔公差、橢圓度不大于1%，同心度不大于1mm，沿長(zhǎng)度方向一致的外套管； (2)、采用高溫拉伸技術(shù)將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內(nèi)徑比外套管稍大的延長(zhǎng)管； (3)、選用若干玻璃絲和玻璃管進(jìn)行堆積、排列后從接有延長(zhǎng)管一端插入外套管中組裝成毛細(xì)管預(yù)制棒； (4)、采用控溫控壓拉絲技術(shù)，對(duì)玻璃毛細(xì)管預(yù)制棒進(jìn)行拉絲；拉絲過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所拉制的玻璃毛細(xì)管內(nèi)、外徑及橢圓度，并完成切割。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:用于外套管焊接的延長(zhǎng)管的外徑不大于外套管的外徑，內(nèi)徑不應(yīng)小于外套管的內(nèi)徑，焊接溫度范圍:900 0C -1100。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:所述毛細(xì)管預(yù)制棒是由材質(zhì)相同的外套管、中心玻璃管及填充區(qū)域構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:所述毛細(xì)管預(yù)制棒包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充區(qū)域選擇性的填充或不填充玻璃絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm,有效橫截面積占外套管有效橫截面積的1%-10%，內(nèi)孔橢圓度小于0.5%,長(zhǎng)度大于外套管的長(zhǎng)度；填充區(qū)域邊界與外套管內(nèi)孔的間隙不大于5_。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:外套管為圓筒形玻璃管或其它形狀的柱狀體，套管外徑:30mm-80mm;預(yù)制棒的等效外內(nèi)徑比:3_25。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:外套管的截面為圓形或六方形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:用于拉制玻璃毛細(xì)管的坯管、中心玻璃管、填充區(qū)域材料均是硼硅酸鹽玻璃材料，其理化性質(zhì)滿足:質(zhì)量成分=SiO2:78%-82% ；B203:11%-15% ;Na20、K2O:3%-5% ；A1203:1.5%-2.5% ；Fe/Zr/Ca 氧化物:〈1%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密玻璃毛細(xì)管制備方法，其特征是:用于制造玻璃毛細(xì)管的拉絲溫度為870°C _940°C，中間區(qū)域壓力絕對(duì)值范圍是0-0.05Mpa。
【文檔編號(hào)】C03B37/012GK103771698SQ201410013429
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】馮振華, 王建軍, 周舉文, 李普杰, 黃巍, 周娟 申請(qǐng)人:武漢市艾玻睿光電科技有限公司