專利名稱:改進(jìn)的金屬外裝光導(dǎo)體的制作方法
本發(fā)明涉及到光導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及到一種改進(jìn)的金屬外裝光導(dǎo)體。
如以下的兩份專利所述的，已公知了一種包在一個(gè)金屬鎧裝中的光學(xué)纖維，此金屬鎧裝壓縮環(huán)繞此光學(xué)纖維的中間層。
美國專利No.4，214，693公開了一種由電絕緣材料包住的絞合導(dǎo)體，此絕緣材料又被金屬鎧裝所包住。導(dǎo)體可以是絞合銅導(dǎo)體，或者，一種或多種該導(dǎo)體是由適合于“纖維光學(xué)”的材料絞合而成(典型地，是玻璃纖維或覆涂層的玻璃纖維)。根據(jù)此專利所披露的，可以不使用任何金屬導(dǎo)體而單獨(dú)使用該“纖維光學(xué)”材料。絕緣材料可以是一種熱塑材料，比如聚四氟乙烯、或者是六氟丙烯和四氟乙烯的全氟化共聚物，或者是丙烯的聚合物和共聚合物。在使用“纖維光學(xué)”材料的場合下，所需的其它絕緣材料可以減少，有時(shí)可以完全取消。金屬鎧裝最好由不銹鋼制成，并且加以擠壓。得到的成品是線狀的，用來將井孔中的鉆井工具懸掛在地面上的纜線鼓上，并在此工具和地面上設(shè)備之間傳送信號。
美國專利No.4，381，141披露了一種光學(xué)纖維，其制造方法是，預(yù)先制成由金屬鹵化物或砷-硒玻璃制成的芯線和外層預(yù)制件，在此預(yù)制件外表面上涂上潤滑劑，再把此預(yù)制件真空密封在一個(gè)銅或鋁制的金屬管內(nèi)，然后，在低于此預(yù)制件熔點(diǎn)的溫度下，把此金屬管拉過一個(gè)模具來減小其直徑并使其拉長。潤滑劑可以是一種氟化物型樹脂、一種氟化物型聚烯烴、一種聚烯烴聚合物例如聚乙烯或氮化硼。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種金屬外裝的光導(dǎo)體，它有著連續(xù)的壓力邊界密封，使其有可能在下述環(huán)境中用來傳送光信號，即在6英寸的最小密封長度上壓強(qiáng)高達(dá)約5000磅/平方英寸，及溫度范圍在低至比如約-40℃與高至大約250℃之間。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供這樣一種金屬外裝的光導(dǎo)體，它可很容易地實(shí)現(xiàn)外部的密封，使得此光導(dǎo)體適合于用來穿過隔板而不會產(chǎn)生光導(dǎo)體的微小彎曲。
本發(fā)明的進(jìn)一步目標(biāo)是提供一種用金屬鎧裝防護(hù)的特殊用途光導(dǎo)體。
所提供的一種光學(xué)纖維能實(shí)現(xiàn)上述以及其余的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。該纖維包括由外殼包住的光傳送芯線、覆蓋著外殼的聚酰亞胺(Polyim-ide)緩沖層、一個(gè)包著此緩沖層的由熔點(diǎn)約200℃的熱塑材料構(gòu)成的外套、在所說的外套上的至少在100℃的溫度下固化的環(huán)氧樹脂薄膜，以及用機(jī)械法縮小了的可延展的金屬鎧裝，該鎧裝包住此環(huán)氧樹脂薄膜并壓緊此外套。
附圖是一幅表明了實(shí)施本發(fā)明的金屬外裝光導(dǎo)體的部分剖視圖，其中，構(gòu)成此導(dǎo)體的元件的各部分都被相繼地?cái)嚅_以展現(xiàn)出其外表面的正視圖以及端面的橫截面圖。
實(shí)施本發(fā)明的光導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)光學(xué)纖維，此纖維包括由外殼11包住的芯線10。緩沖層12覆在此外殼之外。厚度均勻的熱塑材料外套13包住此緩沖層。一層薄的環(huán)氧樹脂薄膜14覆住此外套。用機(jī)械法縮小了的金屬鎧裝15包住此環(huán)氧樹脂薄膜并壓縮此外套13。
可以用適合用作光學(xué)纖維的任何材料，比如石英玻璃(或石英)制成芯線10和外殼11。芯線10的典型尺寸可以是外徑約為200微米(或者說0.00787英寸)，而外殼11的典型尺寸可以是外徑大約為240微米(或者說0.00945英寸)。此芯線/外殼光學(xué)纖維覆有高強(qiáng)度和耐高溫的緩沖層，具體地說是一層聚酰亞胺熱塑材料，比如由蓬(E.I.dupont under)銷售的、商標(biāo)為“Kapton”的產(chǎn)品。包括此芯線10、外殼11和聚酰亞胺緩沖層的光學(xué)纖維能夠作為一個(gè)整體的商業(yè)產(chǎn)品而生產(chǎn)。
以任何合適的方式，最好是以擠壓的方式在緩沖層12外加上厚度均勻的一層熱塑外套13。與前述的有著典型尺寸的光學(xué)纖維相對應(yīng)，外套13的典型外徑尺寸大約為914微米(或者說0.036英寸)。所采用的熱塑材料能夠經(jīng)受至少200℃的溫度。它最好選自包括下述材料的一組材料碳-氟主鏈的氟碳化合物與全氟烷氧基側(cè)鏈結(jié)合的共聚物，比如由蓬(E.I.dupont)出售的商標(biāo)為“Teflon PFA”的樹脂;一種聚醚酮(polyether ether ketone)，比如，由帝國化學(xué)有限公司(Imperial chemical Industries Limited”出售的商標(biāo)為“Peek”的樹脂;以及一種乙烯-四氟乙烯(ethylene-tetra-fluoethylene)共聚合物，比如，蓬(E.I.dupont)出售的、商標(biāo)為“Tefzel”的樹脂。
裹在熱塑外套13上的一層薄膜14是一種可用于高溫的環(huán)氧樹脂粘性材料，比如由“Tra-con”公司出售的“TRA-BOND2211”或“TRA-BOND2215”。前者是一種3-氯-1，2-環(huán)氧丙烷/芳香胺樹脂(epichlorohydrin/aromatie amine)，而后者是一種雙苯酚A/酸酐(bis-phenol A/anhydride)樹脂。這層薄膜沒有明顯的厚度。
隨后，將此組件放入一個(gè)金屬鎧裝中，使此金屬鎧裝的內(nèi)部尺寸能適當(dāng)?shù)厝菁{此組件，然后進(jìn)行機(jī)械壓縮。經(jīng)過這個(gè)嵌入過程，任何多余的環(huán)氧樹脂被擠出或沿外套13的周邊重新分布。此金屬鎧裝可用任何適合于延伸的材料，比如不銹鋼、鈦、鎳和銅制成。如果考慮用304不銹鋼作為制成此起始鎧裝的金屬，其典型厚度大約為0.01英寸、外徑大約為2032微米(或者說0.080英寸)，由此，其內(nèi)徑為0.060英寸。此起始金屬鎧裝然后被適當(dāng)?shù)貦C(jī)械擠壓來減小它的內(nèi)徑，以使其內(nèi)徑稍微小于熱塑外套13的外徑，因而沿徑向向內(nèi)壓縮外套來包住光學(xué)纖維的內(nèi)部元件10-12。在這種情況下，帶有此組件在內(nèi)的金屬鎧裝通過擠壓模(模具的二個(gè)連續(xù)的開孔尺寸分別為0.062英寸和0.058英寸)，在二個(gè)通道內(nèi)加以擠壓。由于這種擠壓的結(jié)果，金屬鎧裝的壁厚增到大約0.012英寸。更重要的是，熱塑外套13是處于壓縮的狀態(tài)下，這使沿著軸向的光學(xué)纖維結(jié)構(gòu)的各元件的交界面產(chǎn)生有效的連續(xù)壓力邊界密封。
由于對上述的典型金屬鎧裝機(jī)械擠壓的結(jié)果，使得金屬鎧裝的面積大約減小20%(±1%)。這能夠以下式表示金屬鎧裝面積減小的百分比＝ ((A1-a1)-(A2-a2))/((A1-a1))在預(yù)擠壓中A1為按金屬鎧裝外徑計(jì)算的面積a1為按金屬鎧裝內(nèi)徑計(jì)算(芯)的面積而在后擠壓中A2為按金屬鎧裝外徑計(jì)算的面積a2為按金屬鎧裝內(nèi)徑計(jì)算的面積因?yàn)槊娣e等于πr2或 (π)/4 D2，而 (π)/4 對于以下表示式是共同的，上述方程能夠改寫為金屬鎧裝面積減小的百分比＝ ((D12-d12)-(D22-d22))/((D12-d12))把上面例舉的尺寸代入得金屬鎧裝面積減小的百分比= ([0.08]2-[0.08-2(0.01)]2-[0.059]2+[0.059-2(0.012)]2)/([0.08]2-[0.08-2(0.01)]2)=19%上述的金屬鎧裝15面積的減小將會壓縮熱塑外套13，使得外套面積的減小的范圍約為15%到25%。低于下限，泄漏率太高，因而不可接受。高于上限，則芯線/外殼/緩沖層組件的光學(xué)積成度受到不利的影響。
熱塑外套13面積減小的百分比可用下式表示熱塑外套面積減小的百分比= ((J12-j12)-(J22-j12))/(J12-j12)在預(yù)擠壓中J1為熱塑外套的原來的外徑，j1為熱塑外套的內(nèi)徑(等于緩沖層的外徑)，而在后擠壓中J2為縮小后的熱塑外套的外徑。
例如，假定J1＝0.036英寸j1＝0.010英寸J2＝0.033英寸把這些數(shù)值代入上式，得到熱塑外套面積減小的百分比= ((0.036)2-(0.01)2-(0.033)2+(0.01)2)/((0.036)2-(0.01)2)= ((0.036)2-(0.033)2)/((0.036)2-(0.01)2)=17%在一個(gè)6英寸長的光導(dǎo)體截面上的典型邊界密封泄漏為在100磅/平方英寸的壓強(qiáng)下，每秒鐘的泄漏小于1×10-6標(biāo)準(zhǔn)立方厘米氦。
對于6英寸密封長度來說熱塑外套13的面積減小的百分比與所設(shè)計(jì)的基本泄漏率的關(guān)系以下表來表示% 泄漏率 (標(biāo)準(zhǔn)立方厘米氦/秒)15 1×10-625 1×10-8在擠壓之后，光學(xué)纖維結(jié)構(gòu)要經(jīng)受大約100℃的溫度2小時(shí)(如果使用TRA-BOND2211環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑)，或經(jīng)受大約220℃的溫度4小時(shí)(如果使用TRA-BOND.2215環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑)以使環(huán)氧樹脂固化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使固化的環(huán)氧樹脂薄膜14沒有明顯的厚度，但如果該最終結(jié)構(gòu)物用于溫度低至-40℃的低溫環(huán)境中，則該薄膜還是必要的，同時(shí)，在真空或高達(dá)5000磅/平方英寸的正壓下，仍能保持連續(xù)的邊界密封。也已發(fā)現(xiàn)，如果沒有使用環(huán)氧樹脂薄膜，而把相同起始尺寸的組件在?？诪?.056英寸的擠壓模中擠壓后，所得到的組件將僅在低到0℃(而不是-40℃)的溫度范圍內(nèi)具有有效的邊界密封。
所發(fā)明的改進(jìn)的金屬外裝光導(dǎo)體可以有各種用途。例如，一組這種導(dǎo)體能夠用于送入到100℃氫氣環(huán)境的隔板中，以與發(fā)動機(jī)纜線的光學(xué)纖維傳感器相連。作為另一個(gè)例子，在水果和蔬菜的幅照中，單一的本發(fā)明導(dǎo)體探頭可與傳感器共同使用。還有一個(gè)例子是，把一個(gè)三導(dǎo)體探頭送入處于室溫的真空中用于激光研究。再有一個(gè)例子是，放置一個(gè)兩導(dǎo)體裝置以測定飛機(jī)尾部的應(yīng)力。用銅鎧裝來代替不銹鋼鎧裝，本發(fā)明的光導(dǎo)體能用于雷達(dá)系統(tǒng)中。使用一種有高含量鎳的不銹鋼(如已知道的Hastaloly-C)來作為金屬鎧裝，本發(fā)明的光導(dǎo)體適合用于酸性環(huán)境中。
實(shí)施本發(fā)明的光導(dǎo)體結(jié)構(gòu)把環(huán)繞金屬鎧裝外部密封的面積分成繞著每一個(gè)導(dǎo)體的十分小的面積，從而把產(chǎn)生故障的可能性減小到最小。本發(fā)明的光導(dǎo)體使得導(dǎo)體的更換變得容易，特別在多芯導(dǎo)體探頭的情況下也很容易。在單一探頭中可以使用多達(dá)52根導(dǎo)體。與僅僅把化學(xué)纖維放在環(huán)氧樹脂中相比，本發(fā)明的金屬外裝光導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相對地避免了大范圍的溫度循環(huán)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的密封方式使密封的有效程度取決于金屬鎧裝的長度，于是，通過加長結(jié)構(gòu)可提供一種容易的方法來使壓強(qiáng)額定值和泄漏率得到改進(jìn)。
在此領(lǐng)域中的熟練技術(shù)人員對所描述和圖示的較佳光學(xué)纖維結(jié)構(gòu)作出改變而并沒有脫離本發(fā)明的原理時(shí)，即意味著根據(jù)上面公開的內(nèi)容而定的所附的權(quán)利要求
已確定了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種有著連續(xù)的壓力邊界密封的金屬外裝光導(dǎo)體，其特征在于它能工作于這樣的環(huán)境中，即在最小為6英寸的封接長度上。承受高達(dá)每平方英寸5000磅的壓強(qiáng)，以及溫度范圍為大約-40℃到大約250℃，它包括包括被外殼包住的芯線的光學(xué)纖維；覆蓋所說的外殼的、由聚酰亞胺組成的一層緩沖層；包住所說的緩沖層的均勻的外套，它由熔點(diǎn)大約為200℃的熱塑材料組成；在所說的外套之外的一層環(huán)氧樹脂薄層，它在至少為100℃的溫度下固化，以及機(jī)械縮小的可延展性金屬鎧裝，它包住所說的環(huán)氧樹脂薄層并壓縮所說的外套。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求
1的光導(dǎo)體，其中熱塑外套的橫截面積減小了大約15%到25%，以達(dá)到有效的密封。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求
1或2的光導(dǎo)體，其中，所說的環(huán)氧樹脂材料是3-氯-1，2-環(huán)氧丙烷/芳香胺樹脂，它在大約為100℃的溫度下固化大約2小時(shí)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求
1或2的光導(dǎo)體，其中，所說的環(huán)氧樹脂材料是雙苯酚A/酸酐樹脂，它在大約為220℃的溫度下固化大約4小時(shí)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求
1、2、3或4的光導(dǎo)體，其中，所說的外套的熱塑材料選自包括下列材料的一組材料(1)碳氟主鏈的碳氟化合物與全氟烷氧基側(cè)鏈結(jié)合的共聚物，(2)聚醚酮，以及(3)乙烯-四氟乙烯-共聚合物。
專利摘要
一種有著連續(xù)的壓力邊界密封的金屬外裝光導(dǎo)體，它能用來在這樣的環(huán)境中傳送光信號，即在最小為6英寸的封接長度上承受高達(dá)每平方英寸5000磅的壓強(qiáng)以及從大約-40℃到大約250℃的溫度范圍。并包括一個(gè)覆有聚酰亞胺的芯線/外殼光學(xué)纖維。該光學(xué)纖維由熱塑樹脂外套包住，該外套上有一層固化的環(huán)氧樹脂薄層，并且被環(huán)繞的機(jī)械縮小的可延展性金屬鎧裝所壓縮。
文檔編號C03C25/42GK86103079SQ86103079
公開日1987年11月11日 申請日期1986年5月3日
發(fā)明者馬修斯·約翰·倫達(dá)索 申請人:科納克斯·布法羅公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan