光纤光缆制造工艺及设备 - 图文

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（1）选择具有优良传输特性的光纤，此光纤可以是单模光纤也可以是多模光纤，并对光纤施加相应应力的筛选，筛选合格之后才能用来成缆；

（2）对成缆用各种材料，强度元件，包扎带，填充油膏等进行抽样检测，100％的检查外形和备用长度，同时，按不同应用环境，选择专用的成缆材料。

（3）在层绞结构中要特别注意绞合节距和形式的选择，要合理科学，作到在成缆、？设和使用运输中避免光纤受力。

（4）在骨架式结构中注意光纤置入沟槽时所受应力的大小，保证光纤既不受力也不松驰跳线。

（5）中心管式结构中特别注意中心管内部空间的合理利用，同时注意填充油膏的压力与温度的控制。

5.0.3光缆外护套挤制工艺的技术要点

根据不同使用环境，选择不同的护套结构和材料，并要考虑？设效应和老化效应的影响。在挤制内外护套时，注意挤出机的挤出速度、出口温度与冷却水的温度梯度、冷却速度的合理控制，保证形成合理的材料温度性能。对于金属铠装层应注意铠装机所施加压力的控制。

5.1光纤原料、制备与提纯工艺

5.1.1．光纤原料特点

1．SiO2光纤原料试剂与制备

制备SiO2石英系光纤的主要原料多数采用一些高纯度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl4）, 四氯化锗（GeCl4），三氯氧磷（POCl3）, 三氯化硼（BCl3）, 三氯化铝（AlCl3）,溴化硼（BBr3），气态的六氟化硫（SF6）,四氟化二碳(C2F4)等。这些液态试剂在常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟，同时放出热量，属放热反应。以SiCl4为例，它的水解化学反应式如下：

SiCl4+2H2O 4HCl+SiO2 (5-1-1) SiCl4+4H2O H4SiO4+4HCl (5-1-2)

由于卤化物试剂的沸点低，SiCl4试剂的沸点在57.6℃，故易汽化，故提纯工艺多采用汽相提纯。SiCl4的化学结构为正四面体，无极性，与HCl具有同等程度的腐蚀性，有毒。

SiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的85％～95％。SiCl4的制备可采用多种方法，最常用的方法是采用工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应如下：

Si+2Cl2 SiCl4 (5-1-3) 该反应为放热反应，反应炉内温度随着反应加剧而升高，所以要控制氯气流量，防止反应温度过高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。反应生成的SiCl4蒸气流入冷凝器，这样制得SiCl4液体原料,工艺流程如图5-1-2。

2．SiO2光纤原料的提纯 试剂提纯工艺

经大量研究表明，用来制造光纤的各种原料纯度应达到99.9999％，或者杂质含量要小于10。大部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂目前已有成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法，水解法，萃取法和络合法等。目前在光纤原料提纯工艺中，广泛采用的是“精馏－吸附－精馏”混合提纯法。如图5-1-3。

一般情况下，SiCl4中可能存在的杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和某些非金属氧化物的沸点和光纤化学试剂的沸点相差很大，可采用精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去，光纤中含有的金属杂质的某些特性如表5-1-3所示。然而，精馏法对沸点（57.6）与SiCl4相近的组分杂质及某

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些极性杂质不能最大限度的除去。例如：在SiCl4中对衰减危害最大的OH离子，它可能主要来源于SiHCl3和其他含氢化合物，而且大多有极性，趋向于形成化学键，容易被吸附剂所吸收。而SiCl4是偶极矩为零的非极性分子，有着不能或者很少形成化学键的稳定电子结构，如图5-1-4，不易被吸附剂吸附，因此，利用被提纯物质和杂质的化学键极性的不同，选择适当的吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，可以达到进一步提纯极性杂质的目的。 精馏是蒸馏方法之一，主要用于分离液体混合物，以便得到纯度很高的单一液体物质。精馏塔由多层塔板和蒸馏釜构成，蒸馏得到的产品可分为塔顶馏出液（SiCl4液体）和蒸馏釜殘液（含金属杂质物质）二种，SiCl4馏出液由塔顶蒸汽凝结得到，为使其纯度更高，将其再回流入塔内，并与从蒸馏釜连续上升的蒸汽在各层塔板上或填料表面密切接触，不断地进行部分汽化与凝缩，这一过程相当于对SiCl4液体进行了多次简单的蒸馏，可进一步提高SiCl4的分离纯度。

吸附剂的种类及选择：

吸附剂是指对气体或溶质发生吸附现象的固体物质。在应用上要求具有巨大的吸附表面，同时对某些物质必须具有选择性的吸附能力。一般为多孔性的固体颗粒或粉末。常用的吸附剂有活性炭、硅氧胶、活性氧化铝和分子筛等。在光纤原料提纯工艺中使用的吸附剂有两种：活性氧化铝吸附柱和活性硅胶，利用活性氧化铝和活性硅胶吸附柱完成对OH-、H+等离子的吸附。

在四级精馏工艺中再加一级简单的蒸馏工艺并采用四级活性氧化铝吸附剂和一级活性硅胶吸附剂作为吸附柱。这就构成了所谓的“精馏－吸附－精馏”综合提纯工艺。采用这种提纯工艺可使SiCl4纯度达到很高的水平，金属杂质含量可降低到5ppb左右，含氢化物SiHCl3的含量可降低到<0.2ppm。

5.1.3．SiO2光纤用辅助原料及纯度要求

在制备SiO2光纤时，除需要SiCl4卤化物试剂外，还需要一些高纯度的掺杂剂和某些有助反应的辅助试剂或气体。

在沉积包层时，需掺入少量的低折射率的掺杂剂。如B2O3，F，SiF4等；在沉积芯层时，需要掺杂少量的高折射率的掺杂剂，如GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3等。

如采用四氯化锗与纯氧气反应得到高掺杂物质GeO2，而利用氟里昂与SiCl4加纯O2反应得到低掺杂物质SiF4等。

作为载气使用的辅助气体－--纯Ar或O2。氧气是携带化学试剂进入石英反应管的载流气体，同时，也是气相沉积（如MCVD）法中参加高温氧化反应的反应气体。它的纯度对光纤的衰减影响很大，一般要求它含水(H2O)的露点在－70℃～－83℃，含H2O量<1ppm；其它氢化物含量<0.2ppm。氩气（Ar）有时也被用来作为载送气体，对它的纯度要求与氧气相同。 为除去沉积在石英玻璃中的气泡用的除泡剂－--氦气He。氦气有时被用来消除沉积玻璃中的气泡和提高沉积效率，对它的纯度要求与纯氧气相同。

在光纤制造过程中起脱水作用的干燥剂－SOCl2或Cl2。干燥试剂或干燥气体等在沉积过程中或熔缩成棒过程中起脱水作用，对它们的纯度要求与氧气相同，这样才能避免对沉积玻璃的污染。

光纤用石英包皮管技术要求

石英包皮管质量的好坏，对光纤性能的影响很大，例如，用MCVD法和PCVD法制备光纤，都要求质量好的石英包皮管，用VAD法制作的棒上，有时也加质量好的外套石英管，然后再拉丝。这些石英包皮管均与沉积的芯层和或内包层玻璃熔为一整体，拉丝后成为光纤外包层，它起保护层的作用。如果包皮管上某些部位存在气泡，未熔化的生料粒子和杂质，或某些碱金属元素（Na、K、Mg等）杂质富集到某一点，就会产生应力集中或者使光纤玻璃内造成缺陷或微裂纹。一旦当光纤受到张应力作用时，若主裂纹上的应力集中程度达到材料的临界断

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裂应力δe，光纤就断裂。同时还存在着另一种可能，当施加应力低于临界断裂应力时，光纤表面裂纹趋向扩大、生长，以致裂纹末端的应力集中加强。这样就使裂纹的扩展速度逐渐加快，直至应力集中重新达到临界值，并出现断裂，这种现象属材料的静态疲劳。它决定了光纤在有张应力作用情况下的使用寿命期限。

为提高成品光纤的机械强度和传输性能，对石英包皮管的内在的杂质含量和几何尺寸精度，都必须提出严格的要求。管内沉积石英包皮管技术指标要求： 外径：20±0.8（mm） 外径公差：<0.15～0.05（mm） 壁厚：2±0.3mm 壁厚公差：0.02～0.1（mm） 长度：1000～1200mm 锥度：≤0.5mm/m （外径） 弓形: ≤1mm/m 不同心度：≤0.15mm

椭圆度（长、短轴差）：≤0.8mm

CSA:同一根包皮管，平均CSA＝2.5％；同一批包皮管，平均CSA＝4％（CSA-包皮管横截面的变化量）

OH-浓度：≤150ppm

开放形气泡：不允许存在任何大小的开放形气泡；

封闭形气泡可允许：⑴每米一个长1.5～5mm、宽0.8mm封闭形气泡存在

⑵每米1－3个长0.5～1.5mm、宽0.1mm封闭形气泡存在 ⑶每米3－5个长0.2～0.5mm、宽0.1mm封闭形气泡存在

夹杂物：在同一批包皮管中2％包皮管允许每米有最大直径0.3mm的夹杂物。 严重斑点（非玻璃化粒子）：决不允许 外来物质（指纹、冲洗的污斑和灰尘）：决不允许 沟棱凹凸：<0.1（mm）

表5-1-4 石英包皮管中杂质含量的极限值

金属离子杂质名称 Al Ca Fe K Li Mg Mn Na Ti 最大允许值（ppm） 24.5 24 1.7 3.7 3.0 0.2 0.05 3.2 1.2

5.2.SiO2光纤预制棒熔炼工艺

传统实体SiO2玻璃光纤制造方法有两种:一种是早期用来制作传光和传像的多组分玻璃光纤的方法；另一种是当今通信用石英光纤最常采用的制备方法。

先将经过提纯的原料制成一根满足一定性能要求的玻璃棒，称之为“光纤预制棒”或“毌棒”。光纤预制棒是控制光纤的原始棒体材料，组元结构为多层圆柱体，它的内层为高折射率的纤芯层，外层为低折射率的包层，它应具有符合要求的折射率分布型式和几何尺寸。 折射率获得:纯石英玻璃的折射率n＝1.458，根据光纤的导光条件可知，欲保证光波在光纤芯层传输，必须使芯层的折射率稍高于包层的折射率，为此，在制备芯层玻璃时应均匀地掺入少量的较石英玻璃折射率稍高的材料，如GeO2,使芯层的折射率为n1；在制备包层玻璃时，均匀地掺入少量的较石英玻璃折射率稍低的材料，如SiF4，使包层的折射率为n2，这样n1>n2，就满足了光波在芯层传输的基本要求。

几何尺寸:将制得的光纤预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，并以相似比例尺寸拉制成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯层和包层的厚度比例及折射率分布，与原始的光纤预制棒材料完全一致，这些很细的玻璃丝就是我们所需要的光纤。

当今，SiO2光纤预制棒的制造工艺是光纤制造技术中最重要、也是难度最大的工艺，传统的SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采用气相反应沉积方法。

目前最为成熟的技术有四种：

美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用的管外气相沉积法，简称OVD法（OVD－Outside Vaper Deposition）；

美国阿尔卡特公司在1974年开发的管内化学气相沉积法，简称MCVD法（MCVD－Modified Chemical Vaper Deposition）； 日本NTT公司在1977年开发的轴向气相沉积法，简称VAD法（VAD－Vaper Axial Deposition）； 荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体化学气相沉积法，简称PCVD法（PCVD－Plasma Chemical Vaper Deposition）。

上述四种方法相比，其各有优缺点，但都能制造出高质量的光纤产品，因而在世界光纤产业领域中各领一份风骚。除上述非常成熟的传统气相沉积工艺外，近年来又开发了等离子改良的化学气相沉积法（PMCVD）、轴向和横向等离子化学气相沉积法（ALPD）、MCVD大棒法、MCVD/OVD混合法及混合气相沉积法（HVD）、两步法等多种工艺。

气相沉积法的基本工作原理:首先将经提纯的液态SiCl4和起掺杂作用的液态卤化物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。由于该方法选用的原料纯度极高，加之气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控制过渡金属离子和OH羟基的目的。

尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，但是气相技术也有其不足之处，如原料昂贵，工艺复杂，设备资源投资大，玻璃组成范围窄等。为此，人们经不断的艰苦努力，终于研究开发出一些非气相技术制备光纤预制棒：

⑴界面凝胶法－BSG，主要用于制造塑料光纤；

⑵直接熔融法－DM，主在用于制备多组份玻璃光纤； ⑶玻璃分相法－PSG；

⑷溶胶－凝胶法－SOL-GFL，最常用于生产石英系光纤的包层材料； ⑸机械挤压成型法－MSP。

5.2．1.管内化学气相沉积法 管内化学气相沉积法，是目前制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠的方法，它又称为“改进的化学气相沉积法”（MCVD）。MCVD法的特点是在一根石英包皮管内沉积内包皮层和芯层玻璃，整个系统是处于全封闭的超提纯状态，所以用这种方法制得的预制棒纯度非常的高，可以用来生产高质量的单模和多模光纤。 MCVD法制备光纤预制棒工艺可分为二步： 第一步，熔炼光纤预制棒的内包层玻璃

MCVD法制备光纤预制棒工艺可分为二步： 第一步，熔炼光纤预制棒的内包层玻璃

制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射率，因此，主体材料选用四氯化硅（SiCl4），低折射率掺杂材料可以选择氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳C2F4 、氧化硼B2O3等化学试剂。并需要一根满足要求的石英包皮管（200×20mm）；同时需要载气（O2或Ar）、脱泡剂（He），干燥剂（POCl3或Cl2）等辅助材料。

所需设备主要有可旋转玻璃车床、加热用氢氧喷灯、蒸化化学试剂用的蒸发瓶及气体输送设备和废气处理装置、气体质量流量控制器、测温装置等。工艺示意图如5-2-3所示。

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图5-2-3管内化学气相沉积法工艺示意图

首先利用超纯氧气O2或氩气Ar作为载运气体，通过蒸发瓶1将已汽化的饱和蒸气SiCl4

和掺杂剂（如CF2Cl2）经气体转输装置导入石英包皮管中，这里，纯氧气一方面起载气作用，另一方面起反应气体的作用，它的纯度一定要满足要求。然后，启动玻璃车床，以几十转/分钟的转速使其旋转，并用1400～1600℃高温氢氧火焰加热石英包皮管的外壁，这时管内的SiCl4和CF2Cl2等化学试剂在高温作用下，发生氧化反应，形成粉尘状的化合物SiO2与SiF4 （或B2O3），并沉积在石英包皮管的内壁上。凡氢氧火焰经过的高温区，都会沉积一层（约8－10μm）均匀透明的掺杂玻璃SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3），反应过程中产生的氯气和没有充分反应完的原料均被从石英包皮管的另一尾端排出，并通过废气处理装置进行中和处理。在沉积过程中，应按一定速度左右往复地移动氢氧喷灯，氢氧火焰每移动一次，就会在石英包皮管的内壁上沉积一层透明的SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3）玻璃薄膜，厚度约为8～10μm。不断从左到右缓慢移动，然后，快速返回到原处，进行第二次沉积，重复上述沉积步骤，那么在石英包皮管的内壁上就会形成一定厚度的SiO2-SiF4、SiO2-B2O3玻璃层，作为SiO2光纤预制棒的内包层。

在内包层沉积过程中，可以使用的低折射率掺杂剂有CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3等，其氧化原理与化学反应方程式如下： 温高氧 SiCl4＋O2 SiO（5-2-1） 2＋2Cl2 化 高温氧化 SiCl4＋2O2＋2CF（5-2-2） 2Cl2 SiF4＋2Cl2 ＋2CO2 或

3SiCl4＋2O2＋高温氧化2SF6 3SiF 4＋3Cl2 ＋2SO2 或 （5-2-3）3O2＋4BBr3 2B2O3＋6Br2 （5-2-4） 第二步，熔炼芯层玻璃

光纤预制棒芯层的折射率比内包层的折射率要稍高些，可以选择高折射率材料（如三氯氧磷POCl3、四氯化锗GeCl4等）作掺杂剂，熔炼方法与沉积内包层相同。用超纯氧（O2）气把蒸发瓶1、2中已汽化的饱和蒸气SiCl4、GeCl4或POCl3等化学试剂经气体输送系统送入石英包皮管中，进行高温氧化反应，形成粉末状的氧化物SiO2-GeO2或SiO2-P2O5,并沉积在气流下漩的内壁上，氢氧火焰经过的地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明的氧化物SiO2-GeO2（或SiO2-P2O5）沉积在内包层SiO2-SiF4玻璃表面上。经

一定时间的沉积，在内包层上就会沉积出一定厚度的掺锗（GeO2）玻璃，作为光纤预制棒的芯层。沉积芯层过程中，高温氧化的原理与化学反应方程式如下：

SiCl4＋ O2 （5-2-5） 高温氧化 SiO2＋2Cl2

GeCl4＋O2 GeO（5-2-6） 2＋2Cl2 高温氧化

2POCl3＋4O2 2P 2O5＋3Cl2 （5-2-7）高温氧化 芯层经数小时的沉积，石英包皮管内壁上已沉积相当厚度的玻璃层，已初步形成了玻璃

棒体，只是中心还留下一个小孔。为制作实心棒，必须加大加热包皮管的温度，使包皮管在更高的温度下软化收缩，最后成为一个实心玻璃棒。为使温度升高，可以加大氢氧火焰，也可以降低火焰左右移动的速度，并保证石英包皮管始终处于旋转状态，使石英包皮管外壁温度达到1800℃。原石英包皮管这时与沉积的石英玻璃熔缩成一体，成为预制棒的外包层。外包层不起导光作用，因为依前几章的分析可知：激光束是在沉积的芯层玻璃中传播。 由于光脉冲需经芯层传输，芯层剖面折射率的分布型式将直接影响其传输特性，那么如果控制芯层的折射率呢？芯层折射率的保证主要依靠携带掺杂试剂的氧气流量来精确控制。在沉积熔炼过程中，由质量流量控制器（MFC）调节原料组成的载气流量实现。如果是阶跃型光纤预制棒，那么载气（O2）的流量应为恒定： Q=cont （5-2-8） 如果是梯度分布型光纤预制棒，载气的流量Q可由下式决定： Qx??Q0?1????Q0??xt?x?2??? （5-2-9） ???xt????g式中：Qxxtx-掺杂试剂载气的最大流量。 -沉积第x层时所需的掺杂试剂载气总流量。 -沉积芯层过程中的总层数。 -沉积的第x层。 g-光纤剖面折射率分布指数。 为使光纤预制棒的折射率分布达到所需的要求，可以通过向二氧化硅基体中加入少量掺杂剂来改变其折射率的方法实现。为满足光纤的导光条件要求，通常可采用三种掺杂方式： 1.在熔炼纤芯玻璃时，按某种规律掺入少量的较石英折射率n0稍高的材料，例如（GeO2）氧化锗或氧化磷P2O3、使芯层的折射率为n1，即n1>n0； 在制备包层玻璃时，同样，掺入少量的较石英折射率n0稍低的材料，例如氟F或氧化硼B2O3等，使包层的折射率为n2并小于纯二氧化硅的折射率n0，即n2n2。 2.熔炼纤芯玻璃时，掺杂方法与“1”中相同，n1>n0；而在制备包层时，只沉积二氧化硅材料，不掺杂任何掺杂剂，得到纯SiO2玻璃层，其折射率为n2＝n0，满足n1>n2＝n0的光纤导光条件的要求。 3.熔炼纤芯玻璃时，只沉积二氧化硅材料，不掺杂任何掺杂剂，得到纯SiO2玻璃层，其折射率为n1＝n0，而制备包层玻璃时，与1.中沉积包层的方法相同，使包层的折射率为n2并小于纯二氧化硅的折射率n0，即n2n2的光纤导光条件的要求。 在光纤预制棒沉积过程中，如果掺杂试剂的含量过多，沉积层之间的玻璃热膨胀系数会出现不一致，在最后的软化吸收熔缩成棒工艺中，棒内玻璃将会产生裂纹，影响预制棒的最终质量与合格率，所以必须严格控制掺杂剂的含量。 此外，使用MCVD法熔炼光纤预制棒时，由于最后一道工序－---熔缩成棒时的温度过高，1800℃，使石英包皮管芯层中心孔内表面附近的掺杂剂分解升华，扩散（GeO2沸点 ？℃），最终导致预制棒中心的折射率下降，折射率分布曲线出现中心凹陷，如图5－2-5所示。 GeO2 GeO ＋O2 （5－10）

图5-2-5光纤折射率分布曲线中心凹陷

分解反应的结果是使沉积层材料成份产生变化。GeO2挥发、分解，引起光纤中心凹陷，此凹陷的深度和宽度由其中心孔附近失去的掺杂材料(GeO2)的多少来决定。这种现象对光纤的衰减和色散都有很大的影响，尤其对多模光纤的传输带宽影响是非常大的，仅此一项有时就把光纤宽度限制在了1GHZ?km之内，对单模光纤的色散、带宽也会造成一定的影响。为消除或减少这种影响，一般，可采用二种方法解决：

1.补偿法： 所谓补偿法是在熔炼成实芯棒过程中，不间断的送入GeCl4饱和蒸气，以补偿高温升华、扩散造成的GeO2损失，从而达到补偿光纤预制棒中心位置折射率的降低问题。

使用此种方法会使光纤预制棒中金属锗的含量增高，导致瑞利散色损耗的增加。因此此方法并不是最理想。

2.腐蚀法：

所谓腐蚀法是在熔缩成实芯棒时，向管内继续送入CF2Cl2、SF6等含氟饱和蒸汽和纯氧气，使它们与包皮管中心孔表面失去部分GeO2的玻璃层发生反应，生成SiF4、GeF4，从而把沉积的芯层内表面折射率降低部分的玻璃层腐蚀掉，这样中心凹陷区会被减少或完成被消除掉，浓缩成棒后可大大改善光纤的带宽特性。同时，由于氯气具有极强的除湿作用，因此，利用CF2Cl2作蚀刻材料，具有蚀刻和除湿双重作用。腐蚀原理与化学反应式如下：

2CF2Cl2＋O2 2COF2＋2Cl2 （5－2-11） 2COF2＋SiO2 SiF4＋2CO2 (5-2-12) 2COF2＋GeO GeF4＋2CO (5-2-13) 这个反应是不完全的，由于较高的温度和较高的氧浓度，平衡状态更多地向正向移动，如图5-2-6所示。

MCVD法自动化程度非常高，关键工艺参数均由计算机精确控制，包括：载运化学试剂的纯氧流量，加热温度，试剂蒸发瓶的水浴温度，玻璃车床的转速，石英包皮管在高温下外径形变的检测等。MCVD法的优点是工艺相对比较简单，对环境要求不是太高，可以用于制造一切已知折射率剖面的光纤预制棒，但是由于反应所需热量是通过传导进入石英包皮管内部，热效率低，沉积速度慢，同时又受限于外部石英包皮管的尺寸，预制棒尺寸不易做大，从而限制了连续光纤的制造长度。目前，一棒可拉连续光纤长15km～25km。因此在生产效率、生产成本上难与OVD和VAD法竞争。为了克服MCVD法的上述缺点，人们又研究了采用套管制备大尺寸光纤预制棒的方法，即大棒套管技术，其方法是在沉积的光纤预制棒外，套一根大直径的石英管，然后，将它们烧成一体，石英包皮管和外套管一起构成光纤预制棒的内外包层，石英包皮管内沉积的玻璃全部作为芯层，这样制成的大棒预制棒，可增加连续拉

丝光纤的长度，一般可达几百公里。并可以提高光纤预制棒的生产效率。但是传统使用的石英包皮管及套管都是采用天然石英材料制成的天然石英管，天然石英管比起化学沉积层得到的包皮管的损耗相对要大，因此在制作单模光纤预制棒时，包层的大部分还必须采用沉积层来获得低损耗的光纤预制棒，加之天然石英管的尺寸本身在制造上也受到限制，因此采用大棒套管技术的MCVD法仍无法与OVD、VAD相抗衡。然而，近年来MCVD法又有了突破性的发展，这主要得益于合成石英管的开发成功。

5.2.2微波等离子体化学气相沉积法

微波等离子体化学气相沉积法，简称为PCVD法，如图5-2-9所示。1975年，由荷兰菲利浦公司的Koenings先生研究发明。PCVD法与MCVD法工艺十分相似，都是采用管内气相沉积工艺和氧化反应，所用原料相同，不同之处在于反应机理的差别。PCVD法的反应机理是将MCVD法中的氢氧火焰加热源改为微波腔体加热源。将数百瓦～千瓦级的微波（f＝2450MHz）功率送入微波谐振腔中，使微波谐振腔中石英包皮管内的低压气体受激产生等离子体，形成辉光放电，使气体电离，等离子体中含有电子、原子、分子、离子，是一种混合态，这些粒子在石英包皮管内远离热平衡态，电子温度可高达10000K，而原子、分子等粒子的温度可维持在几百度甚至是室温，是一种非等温等离子体，各种粒子重新结合，释放出的热量足以熔化蒸发低熔点低沸点的反应材料SiCl4和GeCl4等化学试剂，形成气相沉积层。

图5—2-9 PCVD法工艺示意图

PCVD法制备光纤预制棒的工艺有两个工序，即沉积和成棒。

沉积工艺是借助1Kpa的低压等离子体使注入石英包皮管内气体卤化物（SiCl4,GeCl4）和氧气，在约1000℃下直接沉积一层所设计成份玻璃层，PCVD法每层沉积层厚度约1um，沉积层数可高达上千层，因此它更适合用于制造精确和复杂波导光纤，例如：带宽大的梯度型多模光纤和衰减小单模光纤。

成棒是将沉积好的石英玻璃棒移至成棒车床上，利用氢氧火焰的高温作用将其熔缩成实心光纤预制棒，工艺示意图见5-2-9。

PCVD法工艺的优点，不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的热反应温度，石英包皮管不易变形；控制性能好，由于气体电离不受包皮管的热容量限制，所以微波加热腔体可以沿石英包皮管作快速往复运动，沉积层厚度可小于1um，从而制备出芯层达上千层以上的接近理想分布的折射率剖面。以获得宽的带宽；光纤的几何特性和光学特性的重复性好，适于批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料的沉积效率接近100%，沉积速度快，有利于降低生产成本。

5.2.3.管外化学气相沉积法

管外化学气相沉积法，简称OVD法。于1974年，由美国康宁公司的Kcpron先生等研究发明，1980年全面投入应用的一种光纤预制棒制作工艺技术。OVD法的反应机理为火焰水解，即所需的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物气体产生“粉尘”逐渐地沉积而获得，反应原理和化学反应方程式如下： 芯层：

SiCl4(g)+2H2O SiO2(s)+4HCl(g) (5-2-14) GeCl4(g)+2H2O GeO2(s)+4Hcl(g) (5-2-15)

或 SiCl4(g)+H2O SiO2(s)+2HCl+Cl2(g) GeCl4(g)+H2O GeO2(s)+2HCl+Cl2(g) 包层：

Sicl4(g)+H2O SiO2+4HCl (5-2-16) 2BCl3(g)+3H2O B2O3+6HCl (5-2-17) 火焰水解反应：

2H2+O2 2H2O (5-2-18) 或 CH4+2O2 2H2O+CO2 （5-2-19）

OVD法制造光纤预 制棒主要通过沉积和烧结两个工艺步骤，其工艺示意图如图5-2-10所示。

图5-2-10 OVD法工艺示意图

沉积工艺：

OVD法的沉积顺序恰好与MCVD法相反，它是先沉积芯层，后沉积包层，所用原料完全相同。沉积过程首先需要一根母棒，如母棒用氧化铝陶瓷或高纯石墨制成，则应先沉积芯层，后沉积包层，如母棒是一根合成的高纯度石英玻璃时，这时只需沉积包层玻璃。首先使一根靶棒在水平玻璃车床上沿纵轴旋转并往复移动，然后，将高纯度的原料化合物，如SiCl4,GeCl4等，通过氢氧焰或甲烷焰火炬喷到靶棒上，高温下，水解产生的氧化物玻璃微粒粉尘，沉积在靶棒上，形成多孔质母材。在OVD法的化学反应中，不仅有从化学试剂系统中输送来的气相物质，还有火炬中的气体，而燃料燃烧产生的水也成为反应的副产品，而化学气相物质则处于燃烧体中间，水份进入了玻璃体，故称为火焰水解反应。在MCVD工艺中，石英包皮管固定旋转，而氢氧火焰左右移动进行逐层沉积。在OVD工艺中，氢氧火焰固定而靶棒边旋转边来回左右移动，进行逐层沉积。正是靶棒沿纵向来回移动，才可以实现一层一层地沉积生成多孔的玻璃体。通过改变每层的掺杂物的种类和掺杂量可以制成不同折射率分布的光纤预制棒。例如：梯度折射率分布，芯层中GeO2掺杂量由第一层开始逐渐减少，直到最后沉积到SiO2包层为止。沉积中能熔融成玻璃的掺杂剂很多，除常用的掺杂剂GeO2,P2O5，B2O3外，甚至可以使用ZnO,Ta2O3,PbO5,Al2O3等掺杂材料。一旦光纤芯层和包层的沉积层沉积量满足要求时（约200层），即达到所设计的多孔玻璃预制棒的组成尺寸和折射率分布要求，沉积过程即可停止。

烧结工艺：

当沉积工序完成后，抽去中心靶棒，将形成的多孔质母体送入一高温烧结炉内，在1400～1600℃的高温下，进行脱水处理，并烧缩成透明的无气泡的固体玻璃预制棒，这一过

程称为烧结。在烧结期间，要不间断的通入氯气、氧气、氮气和氯化亚砜（SOCl2）组成的干燥气体，并喷吹多孔预制棒，使残留水分全部除去。氮气的作用是渗透到多孔玻璃质点内部排除预制棒中残留的气体，而氯气和氯化亚砜则用以脱水，除去预制棒中残留的水分。氯

-气、氯化亚砜脱水的实质是将多孔玻璃中的OH置换出来，使产生的Si—Cl键的基本吸收峰在25μm附近，远离石英光纤的工作波长段0.8--2μm。经脱水处理后，可使石英玻璃中OH-的含量降低到1PPb左右，保证光纤低损耗性能要求。 SOCl2,Cl2进行脱水处理的原理与化学反应方程式如下：

高温烧结 -(≡Si-OH)+SOCl2 (Si-Cl-)+HCl +SO2 (5-2-20) H2O+SOCl2 2HCl +SO2 (5-2-21) 2Cl2+2H2O 4HCl +O2 (5-2-22) 在脱水后，经高温作用，松疏的多孔质玻璃沉积体被烧结成致密、透明的光纤预制棒，抽去靶棒时遗留的中心孔也被烧成实心。

OVD法的优点主要是生产效率高，其沉积速度是MCVD法的10倍，光纤预制棒的尺寸不受母棒限制，尺寸可以做得很大，生产出的大型预制棒一根可重达2---3Kg，甚至更重，可拉制100—200Km或更长的光纤，不需要高质量的石英管作套管，全部预制棒材料均由沉积工艺生成，棒芯层中OH的含量很低，可低于0.01PPm，由于沉积是中心对称，光纤几何尺寸精度非常高；易制成损减少，强度高的光纤产品；可进行大规模生产，生产成本低。若采用中心石英靶棒作为种子模，则其可与沉积玻璃层熔为一体，成为芯层的一部分。其缺点是若采用氧化铝陶瓷或高纯石墨作靶棒，在抽去靶棒时，将引起预制棒中心层折射率分布紊乱，而导致光纤传输性能的降低。

总之，OVD法可以用来制造多模光纤，单模光纤，大芯径高数值孔径光纤，单模偏振保持光纤等多种光纤产品。此工艺在国际上已被广泛应用。

-

5.2.4.轴向气相沉积法

轴向气相沉积法，简称VAD法。于1977年，由日本电报电话(NTT Lab)公司茨城电气通信研究所的伊泽立男等人发明。VAD法的反应机理与OVD法相同，也是由火焰水解生成氧化物玻璃。但与OVD法有两个主要区别：

1.靶棒沉积方向是垂直的，氧化物玻璃沉积在靶棒的下端； 2.芯层和层包玻璃同时沉积在靶棒上，预制棒折射率剖面分布型式是通过沉积部位的温度分布、氢氧火焰的位置和角度、原料饱和蒸气的气流密度的控制等多因素来实现的。 从工艺原理上而言，VAD法沉积形成的预制棒多孔母材向上提升即可实现脱水、烧结，甚至进而直接接拉丝成纤工序，所以这种工艺的连续光纤制造长度可以不受限制，这也是此工艺潜能所在。

VAD法光纤预制棒的制备工艺同样有二个工序：沉积和烧结。且二个工序是在同一设备中不同空间同时完成，工艺示意图如图5-2-11所示。

图5-2-11轴向气相沉积法工艺示意图

沉积工序：

首先将一根靶棒垂直放置在反应炉上方的夹具上，并旋转靶棒底端面接受沉积的部位，用高纯氧载气将形成的玻璃卤化物(SiCl4,GeCl4)饱和蒸气带至氢氧喷灯和喷嘴入口，在高温火焰中水解反应，生产玻璃氧化物粉尘SiO2-GeO2和SiO2,并沉积在边旋转边提升的靶棒底部内、外表面上，随着靶棒端部沉积层的逐步形成，旋转的靶棒应不断向上提升，使沉积面始终处于同一个位置。最终沉积生成具有一定机械强度和孔隙率圆柱形的多孔预制棒。整个反应必须在反应炉中进行，通过保持排气的恒速来保证氢氧焰的稳定。为获得所设计的不同芯层和包层的折射率分布，可以通过合理设计氢氧喷灯的结构、喷灯与靶棒的距离、沉积温度和同时使用几个喷灯等措施来实现。例如，在制作单模光纤预制棒时，由于包层很厚 (2a=8.3—9.6um,2b=125um)，可以用三个喷灯火焰同时沉积，一个火焰用于沉积芯层，另外二个用于沉积包层。，在芯层喷灯喷嘴处通入SiCl4、GeCl4,水解生成SiO2—GeO2玻璃粉尘，而在包层喷灯喷嘴处只通入SiCl4,水解生成SiO2玻璃粉尘，并使它们沉积在相应的部位，这样可得到满足折射率要求的光纤预制棒。 烧结工序：

随着沉积的结束，多孔预制棒沿垂直方向提升到反应炉的上部石墨环状加热炉中，充入氯气Cl2,氢气H2，以及氯化亚砜(SOCl2)进行脱水处理并烧结成透明的玻璃光纤预制棒。

VAD法的工艺特点： 1.依靠大量的载气送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度的提高氧化物粉尘(SiO2,SiO2-GeO2)的沉积速度。它的沉积速度是MCVD法的10倍；

2.一次性形成纤芯层和沉积包层的粉尘棒，然后对粉尘棒分段熔融，并通入氢气、氯气以及氯化亚砜进行脱水处理并烧结成透明的预制棒。工序紧凑，简洁，且潜在发展很大； 3.对制备预制棒所需的环境洁净度要求高，适于大批量生产，一根棒可拉数百公里的连续光纤

4.可制备多模光纤，单模光纤且折射率分布截面上无MCVD法中的中心凹陷，克服了MCVD法对光纤带宽的限制。

5.此工艺程序多，氢氧喷灯采用的多，3-8个，对产品的总成品率有一定的影响，成本是OVD法的1.6倍。

总上所述，四种气相沉积的制备方法在本质上是十分相似的。表5-2-2列出四种气相沉积工艺特点。

表5-2-2 四种气相沉积工艺的特点

方法 MCVD PCVD OVD VAD

反应机理 高温氧化 低温氧化 火焰水解 火焰水解 热源 氢氧焰 等离子体 甲烷或氢氧焰 氢氧焰 沉积方向 管内表面 管内表面 靶棒外径向 靶同轴向 沉积速率 中 小 大 大 沉积工艺 间歇 间歇 间歇 连续 预制棒尺寸 小 小 大 大 折射率分 单模：容易 布控制 容易 极易 容易 多模：稍难 原料纯度要求 严格 严格 不严格 不严格 现使用厂

家(代表) 美国阿尔卡特公司 荷兰飞利浦公司 美国康宁公司 日本住友，

日本西古公司， 古河等公

司

天津46所 中国武汉长飞公司 中国富通公司

5.2.5.大棒组合法（或称二步法）

由表5-2-2可知，四种气相沉积工艺各有优劣，技术均已成熟，但尚有二个方面的问题需要解决：

1.必须全力提高单位时间内的沉积速度；

2.应设法增大光纤预制棒的尺寸，达到一棒拉出数百乃至数千公里以上的连续光纤。 基于此种想法，可以将四种不同的气相沉积工艺进行不同方式的组合，可以派生出不同的新的预制棒实用制备技术—大棒套管法。所谓大棒套管法意思是指沉积芯层时采用一种方法，然后利用另一种方法沉积包层或外包层，之后将沉积的内包层连同芯层一道放入到外包层内，在烧结成一体而成，现择其一、二说明之。

MCVD/OVD法： 由于MCVD法的沉积速度慢，而MCVD大棒套管技术要求的几何精度非常高 ，为适应大棒法的需求，而开发出一种用MCVD法沉积制备芯层和内包层，用OVD法沉积外包层，实现大尺寸预制棒的制备方法-MCVD/OVD。这种组合的预制棒制备工艺可以避免大套管技术中存在的同心度误差的问题，又可以提高沉积速率，因而很有发展前途。

组合气相沉积法： 即HVD法(Hybrid Vaperr Deposition)，是美国Spectram光纤公司在1995年开发的预制棒制备技术。它是用VAD法作光纤预制棒的芯层部分，不同处在于水平放置靶棒，氢氧焰在一端进行火焰水解沉积，然后再用OVD法在棒的侧面沉积、制作预制棒的外包层部分。HVD法是将VAD 和OVD法两种工艺巧妙地结合在一起，工艺效果十分显著。

光纤预制棒的几种气相沉积制作方法可以相互贯通，彼此结合。

5.2.6.非气相沉积技术

虽然利用气相沉积技术可制备优质光纤，但是气相沉积技术也存在着不足：原料资源、设备投入昂贵，工艺复杂，成品合格率较低，玻璃组份范围窄等。为此，人们经不断的努力研究开发出一些非气相沉积技术来制备SiO2光纤预制棒，并取得了一定的成绩。

5.2.6.1.溶胶---凝胶法

在非气相沉积技术中，溶胶－凝胶法，又称sol－Gel法，最具发展前途，最早出现在20世纪60年代初期，是生产玻璃材料的一种工艺方法。当sol－Gel法技术成熟后，预计可使光纤的生产成本降到1美分/米。因此无论从经济还是从科学技术观点都引起了世人极大的兴趣，但由于此方法生产的芯层玻璃衰减仍较大，工艺尙不成熟，距商用化还有一定的

距离。

广义地讲，溶胶凝胶法是指用胶体化学原理实现基材表面改性或获得基材表面薄膜的一种方法。此方法是以适当的无机盐或有机盐为原料，经过适当的水解或缩聚反应，在基材表面胶凝成薄膜，最后经干燥、结烧得到具有一定结构的表面或形状的制品。

溶胶－凝胶法制备光纤预制棒的主要工艺生产步骤是首先将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀溶液，然后加入其它组分材料，在一定温度下发生水解、缩聚反应形成凝胶，最后经干燥、热处理、烧结制成光纤预制棒。制造步骤可以分为以下几个阶段： （1）配方阶段：

原料、稀释剂、掺杂剂和催化剂等根据重量百分比称重，混合均匀，如要作成一定形状的产品，可以把溶胶注入所需要的模具内，如管状或棒状模具。

（2）溶胶-凝胶形成阶段

溶胶：又称胶体溶液，是一种分散相尺寸在10—10

-13

米之间的分散系统，粘度一般为

几个泊。

凝胶：分为湿胶和干胶，湿胶是由溶胶转变产生的，当溶胶粘度由几个泊增加到104泊时就认为是湿胶，又称冻胶和软胶，外观透明或乳白，具有一定形状，内部包含大量液体但无流动性，为半液半固相体系。把湿胶内液体除去，就成为干胶，是一种超显微结构多孔体。

胶体特性：其特点很多，影响制造玻璃光纤预制棒产品质量的特性有这样2项：

1）溶胶特性：溶胶的配方和溶液的PH值。

2）凝胶特性：主要是宏观密度，由物体重量和外观体积决定，主要包括：比表面积，平均孔隙尺寸，孔隙分布及孔隙率。

催化剂在溶液形成溶胶与凝胶过程中起着决定性的作用，催化剂的使用可分为二类：酸性和碱性。最常用的酸性催化剂是盐酸，实际使用的酸类也可以是硫酸或硝酸。在没有酸类物质参与反应时，金属醇盐往往会由于水的存在而起加水分解，生成白色沉淀物，加入酸类物质后，立刻可以使其再溶解。H+和OH-是正硅酸乙酯水解反应的催化剂，因此水解反应随着溶液的酸度或碱度的增加而加快，缩聚反应一般在中性和偏碱性的条件下进行较快，PH值在1－2范围，缩聚反应特别慢，因此凝胶化时间相对较长，PH>8.5时，缩聚反应形成的硅氧键又重新有溶解的倾向，这也是在高PH值条件下胶凝时间特别长的原因。

在酸类物质催化的条件下，硅酸单体的慢缩聚反应形成的硅氧键最终可以得到不甚牢固的多分支网络状凝胶，但由于在此条件下反应进行的较慢，因此形成的凝胶结构往往不完善，在老化和干燥过程中可继续使凝胶网络间的OH-基团脱水形成新的硅氧键≡Si-O-Si≡，边缘化学键的形成使凝胶的核心结构进一步牢固，同时脱水收缩开始，凝胶的体积减小，一般在老化和干燥前期比较明显，并逐步趋于平衡。

在碱性催化剂条件下，硅酸单体水解迅速凝聚，生成相对致密的胶体颗粒。这些颗粒再相互连接形成网络状的凝胶，这种凝胶缩聚反应进行的比较完全，结构比较牢固，在老化和干燥过程中体积基本保持不变。因此在碱性条件下所制得的湿凝胶孔洞尺寸较大，密度较小。 （3）水解聚合反应阶段：

即胶化过程，从溶胶转变为凝胶称胶化。首先形成湿胶再形成凝胶，一般在室温下进行，有时也可提高一些温度以加快胶化速度。

胶化过程中包含着水解和聚合两类化学反应。在制备石英系光纤时，采用硅的醇盐为原料，其水解和聚合的基本反应式如下： １）完全水解反应

Si(OR)4+H2O Si(OH)4+4ROH （5-2-23） 2)不完全水解反应

2Si(OR)4 +XH2O Si(OH)4 .(OH)X+XROH （5-2-24）

3)脱水聚合反应

Si(OR)4.X(OH)x (OR)X-1(OR)4-X Si-O-Si(OH)4-X(OH)X-1+4ROH （5-2-25） 4)水解聚合反应

2Si(OR)4.X(OH)x Si2O(OR)6-2X+2R（OH） （5-2-26） 在上述反应中应注意以下几个问题： ①全水解反应是水解反应速度太快而发生的，它并不是我们所期望的，因为Si(OH)4是一种沉淀物；

②聚合反应仅发生在反应的初期阶段，而脱水聚合反应只要在硅的化合物上存在OR根就会连续的进行，从而形成整体的硅氧网络。

③水解和聚合反应几乎是同时进行的，难以把他们分开研究

④当有酸碱催化剂存在时，水解反应一般被认为是以下面两种形式进行的：

亲电子反应：(RO)3Si(OR)+H3O (RO)3Si(OH)+H+HOR （5-2-27） H+H2O H3O （5-2-28） 亲质子反应：(RO)3Si(OR)+OH- (RO)3Si(OH)+OR- （5-2-29）

OR-+H2O HOR+OH- （5-2-30）

水解反应机理

尤其是硅醇乙酯水解机理为同位素HOH所致。水中的氧原子与硅原子进行亲核反应： (RO)3SiOR+H18OH Si(OR)3(OR)+ROH （5-2-31） 在这一反应过程中，溶剂的活化效应、极性极短和多活泼质子的获取性等因素对水解过程有非常重要的影响，而且在不同的介质中反应机理也有所差别。在酸催化条件下，主要是H3O对OR基团的亲电取代反应，水解速度快但随着水解反应的进行醇盐水解活性因为其分子上-OR基团的减少而下降，很难生成Si（OH）4。其缩聚反应在水解前，?即Si（OH）4完全转变为Si（OH）4前已开始，因而缩聚反应的交联程度低，易形成一维的链状结构。在碱的催化条件下，水解反应主要是OH-对-OR基团的亲核取代反应，水解速度较酸催化的慢，但醇盐水解活性随分子上-OR基团减少而增大，所以4个-OR基团很容易转变为-OH基团，即容易生成Si（OH）4进一步缩聚时便生成高交联度的三维网络结构。水解反应是可逆反应，如果在反应时排除掉水和醇的共沸物，则可以阻止逆反应的进行。如果溶剂的烷基不同于醇盐的烷基，则会产生转移酯化反应：

R（OH）+Si（OR）（OR）（+ROH （5-2-32） 4 Si3OR）（4）干燥阶段： 一般放在敞开容器内，加热到80~110°C温度下进行，在此阶段除去大部分的溶胶和物理吸附水，所获得的干凝胶具有600~900m2/g比表面积，宏观密度为1.2~1.6g/cm3 （5）热处理阶段：

在此阶段除去化学结合的OR.OH根等部分重金属杂质。此时，升温速度，保温温度，保温时间和气氛等参数都影响最终产品的性能。

由于干胶内包含有大量的孔隙，具有大的比表面积，并含有大量的OH和OR，因此在干胶进一步热处理过程中所采用的程序对于降低光纤内OH含量和避免玻璃产品在加温时是非常关键的。

首先他们发现在300~500°C温度范围存在着有机杂质的氧化反应，所以，在此阶段，如采用保温并加上充分的氧气气氛，可使有机杂质氧化分解为气体产物逸出体外，随后在500°C~1000°C间，OH-根凝聚成水分挥发掉，并在1100°C时气孔开始缩小。他们认为此时He气氛中加热比较合理。因为He在玻璃内有最大扩散率，利于把玻璃内的气泡带走。但是，当用单纯的He气氛处理和烧结时，最终玻璃内的OH含量最高甚至大于5000ppm，尽量采用较慢的升温速度有利于降低OH根的含量，但仅仅是量的变化，即使加上其他合理的措

18

+

++

+

施，最终玻璃内的OH含量仍保持在600ppm。在这种情况下,得不到低损耗的玻璃预制棒。因此后来采用了Cl2处理技术，降低OH含量，与Cl2硅氧网络内OH能发生以下反应： Si（OH）Cl2 Si Cl4+H2O （5-2-33） 4+2 在800°C下，通入氯气30分钟，玻璃内的OH含量可降低到ppm量极。OH含量的降低与通入Cl2的时间有关，例如，热处理温度在1000°C时，氯气气氛保温两小时，OH含量为200~300ppm，保温时间延长至7小时，OH含量则小于1ppm。通入氯气处理，可导致Cl2含量过高，这种玻璃材料拉丝时也会发泡，故需在更高的温度下，在O2气氛中处理Cl2含量低于0.5%。可消除这种影响。 （6）烧结阶段： 在此阶段，通过粘性流动，胶体内微孔收缩最终成为无气泡透明玻璃棒。在此过程中，玻璃棒的气孔率逐渐减小，比重逐渐增大到该物质的理论密度，一般在高于1100°C的温度下烧结。 溶胶经过以上几个阶段转变成制造光纤的玻璃棒，物质状态发生了明显变化。 5.2.7光纤预制棒表面研磨处理技术 众所周知，预拉制光纤的强度和强度分布，强烈地取决于初始光纤预制棒的质量，特别是它的表面质量。由于预制棒表面存在的裂纹和杂质粒子，在高于2000°C的温度下拉成光纤后，会遗留在光纤表面，形成裂纹和微晶缺陷。因此，为克服这一问题，以制备连续长度长且高强度光纤，必须在拉制工序之前，愈合和消除这些表面缺陷。目前采用的光纤制棒表面处理方法主要有五种，它们是： （1）.采用Etoh，Meoh，丙酮和MEK等有机溶剂清洗预制棒表面； （2）.采用酸溶液浸蚀预制棒； （3）.采用火焰抛光预制棒； (4).采用有机溶剂清洗后的预制棒，再进一步用火焰抛光处理； (5).采用有机溶剂清洗后，再经酸蚀后的预制棒，进一步采用火焰抛光处理。 采用一种有机溶剂清洗方法处理时，光纤强度改善并不是很明显，它的强度分布从弱区到强区分布较宽。酸蚀玻璃是一种常规的强化玻璃表面技术。从对光纤断裂机理分析可以推断出，气相沉积技术制得光纤预制棒表面上的杂质粒子主要来自两个方面：一是在1600°C~2000°C的高沉积温度和高收缩温度下，使稀少的金属粒子自火焰中飞溅出来，熔融到棒的热表面上，并在拉丝工艺之后，遗留于光纤表面上，这对微裂纹的形成起着主要作用。另一方面，是来自生产现场大气气氛中的尘粒，例如CaCO3、MgCO3等尘埃。该尘粒是在持续大约6小时的沉积和收缩阶段，被熔融到管棒表面上的。这本身又诱发了在这些点处的化学成分的变化，这一变化可导致在光纤表面的热应力和结晶化，致使微裂纹的形成，最终导致光纤强度的降低，使用中发生断裂。采用酸蚀可有效地除去这些表面杂质粒子。 4HF+SiO2 SiF4+H2O （5-2-39） 2HF+CaCO3 CaF2+H2CO3 （5-2-40） 在酸蚀过程中常用到的酸蚀剂有这样几种：氢氟酸（HF）、氢硫酸（HF、H2SO4）和氢硝酸（HF、HN O3），其中最强的酸蚀剂为49%（w）的HF酸。采用49%浓度的HF酸溶液浸蚀二氧化硅时，其溶解速率约为260×10m/s，浸蚀时间为15分钟，可除去厚度为2~3umm的表面层。经过大量的实验证明，酸蚀的最佳参数如表5-2-4所示。 表5-2-4光纤预制棒酸蚀最佳参数表 HF酸浓度 49 5－30 49 溶解速率 260×10-10m/s 浸蚀时间 15（min） 0.5~5(h ) 30（min） -10

为使表面酸蚀均匀，酸蚀之前最好用有机溶剂清洗预制棒表面，因为粘附在预制棒表面的有机物妨碍氢氟酸溶剂对预制棒表面的浸蚀作用。在使用有机溶剂清洗和随后的酸蚀处理中，若采用超声波搅动清洗和酸蚀，利用溶液的涡旋作为驱动力，效果会更佳。

预制棒表面酸蚀处理不当，也会起到负面作用： （1）氢氟酸酸蚀虽然能除去表面异物和较大的表面伤痕；但同时会导致新的小腐蚀坑的形成；

（2）过量的腐蚀会引起局部折射率变化，造成“微型粗糙”；

（3）在不会引起断裂部分，含有Vikers凹痕的SiO2预制棒，即使短时浸蚀，也可使其强度明显降低。

基于上述原因，单独酸蚀处理，对提高光纤强度效果难以确定，所以，在光纤预制棒表面处理中，酸蚀处理不宜单独采用。

火焰抛光法也是一种常规的强化玻璃表面的方法。此方法可以显著地提高光纤的强度。其基本原理是：利用氢氧火焰（或电阻加热炉、或等离子火焰、或激光）抛光预制棒表面，使表面软化，促使预制棒表面平滑化，从而愈合或“填平”微裂纹。这种工艺对预制棒的表面不平整>10um，裂纹深度>0.1um的表面缺陷，只要在1530°C ~2300°C温度范围内，抛光2~5次，即可很好的除去所有的缺陷，并使光纤的最低强度保持在3.5GPa（500kpsi）以上。表5-2-5给出一种我国某光纤预制棒生产公司实际利用氢氧火焰进行火焰抛光法的预制棒研磨工艺参数。

该工艺操作主要有三个步骤： 1.接尾棒

（1）将母棒和接尾棒距离调至2~3mm，喷灯台靠近母棒一侧，高温烧烤至接头呈乳白色融态，一般需5分钟左右，推进母棒使其和接尾棒连接；

（2）移动喷灯台测量母棒直径，同时用卷尺测量母棒的有效长度； 2．研磨母棒 氢氧火焰温度达到2300°C时，开始研磨母棒，以40rpm的转速转动玻璃车床，并以30 mm/min的速度移动喷灯，研磨2次可达到最低强度要求，若增加研磨次数，会使强度增加；

3.分离尾棒

尾轴台向右移动，拉细连接部位，至到直径小于5mm时，用火焰烧断即完成辅助接尾棒的分离，之后，将喷灯台匀速向母棒侧移动约为150mm~200mm，以消除母棒上产生的白雾；在接缝面侧365mm处找出拉丝安装线，并标刻“0”标志。

为避免预制棒被污染，抛光处理过程应在一个清洁的小房间内进行，房间的洁净度应在1000级以上。也可以在预制棒生产现场进行。

为防止已处理好的预制棒被“再次污染”，最好将预制棒立刻拉丝。若不能立即拉丝，则应将处理好的预制棒悬挂在空气过滤器的正前面或将其存放于特别的无尘密封容器中，以便在暂时存放期间和在运往拉制场所时，表面不致被损伤、污染。根据大量实验，业内专家建议，为取得良好的效果，酸蚀到抛光，抛光到拉丝之间的时间间隔以0.5小时最好。

5.2.8光纤预制棒质量检测 光纤预制棒质量的好坏对光纤光缆的质量起着决定性的作用，对预制棒质量的检测主要有三个方面：（1）预制棒内存的各种缺陷检验；（2）预制棒几何参数的检测；（3）折射率分布测试。

预制棒缺陷是指沉积层中的气泡、裂纹以及沉积层结构偏差与沿轴向不均匀分布等因素问题，它反应出预制棒的沉积质量。可利用He—Ne激光扫描装置进行检验。

5.3 SiO2光纤拉丝及一次涂覆工艺

光纤拉丝是指将制备好的光纤预制料（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，最重要的技术是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。一次涂覆工艺是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，其作用是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。 5.3.1.1.管棒法

1976年，Kapang把一根抛光的芯层玻璃棒插入到一根抛光的包层玻璃管中，一起送入拉丝炉中拉制出了光纤，从而发明了管棒法工艺。相对双坩埚法，管棒法是一种既古老又简单操作工艺方法。这种方法最大优点是简单易操作，而且芯/包直径比和折射率分布型式可以保持不变，尺寸精确度良好。缺点在于它是一次性生产,也就是说，当每一次预制棒拉制完成后，必须停机重新装料。这将使光纤连续拉制长度受限于预制棒的尺寸，且不可避免地产生材料浪费，使成本增加。

虽然，管棒法拉制光纤具有一定的局限性，但在现阶段仍是光纤拉丝工艺最常采用的重要方法。管棒法拉制光纤工艺有两种：一是将熔炼成一体的芯/包预制棒直接在高温炉中加温软化拉制成光纤，如利用MCVD法制取的光纤预制棒；二是在芯层玻璃棒体上套上外包层玻璃管送入加热炉中熔炼成一体，再送入高温炉中加温软化拉制成光纤，如二步法生产的光纤芯层棒和包层管制成的预制棒。后一种方法由于难以保证芯/包的同心度并在芯/包界面上存在着气泡或微弯等缺陷，影响光纤的最终性能，使用受到限制。但是，这种方法由于它的芯层棒与包层管是分开在不同的设备上同时加工，所以它可以提高单班生产效率，一旦它的技术难点被攻克，将是最具发展前途的拉丝工艺。

拉丝工艺流程及设备如图5-3-1所示。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与系统包括：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。

图5-3-1拉丝与一次涂覆工艺流程

操作步骤：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2000oC，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。

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。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。

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df，df=2b。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=Vfdf2 (5-3-1)

因此，光纤的外径可由（5-3-1）给出：

d2=VD2/Vf (5-3-2) 光纤预制棒馈送系统主要由光纤预制棒卡盘、馈送及控制系统和调心机构及控制系统构成。卡盘的作用是固定光纤预制棒，馈送及控制系统主要是步进电动机，它的用途是为预制棒进入加热炉提供一个缓慢的速度，调心及控制系统作用是光纤预制棒在卡盘上夹好后，首先要进行预调心，使棒的中心与预定的检测中心重合，并当出现偏心时，为PLC提供变化参数，及时自动调节修正。

拉丝操作对加热源的要求是十分苛刻的。热源不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000oC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。熔融SiO2的粘度与加热温度间的变化曲线如图5-3-2所示。同时，由于2000oC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。

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。它的结构以Pearson（皮尔逊） 和Tynes(泰纳)1975年设计的16氧喷嘴、氢四个喷嘴的燃烧器为典型代表。

现代拉丝机主要采用石墨或ZrO2氧化锆电阻或高频感应炉作热源。对加热炉的要求：炉温易控制；炉内壁材料不易产生尘埃、颗粒及其它污染的杂质；可耐2200oC及以上高温。

石墨加热炉采用直流或SOHZ型工频交流电源为石墨炉加热，如图5-3-4。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氧进行气氛保护。同时，因为高温下石墨炉W丝的通电连接也较困难，因而也可采用石墨感应电阻炉来解决，采用水冷线圈进行冷却。

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。另一个控制方法是通过使用特殊的进气支管在灼热区提供高纯度的层状气流。气体Ar在这里的另一个最重要的作用是挤出炉内的空气，由于Ar气比重较空气的大的多，向炉内通入Ar气后，它将排挤炉内的空气向上运动，并从炉内排出空气，填充Ar在炉内的气体界面应高于光纤预制棒底部尖端的熔化高度，目的是防止空气中的湿气与熔融的SiO2接触，是制备低损耗光纤最重要的手段之一。 ZrO2氧化锆加热炉是利用氧化锆材料在常温下为绝缘体，接近1500oC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2500oC。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。典型的氧化锆炉高2.5m，外径约为2.5m，ZrO2炉管的外径为45mm，管的壁厚为3mm，水冷线圈RF绕在炉管的中部，并将密封在石英管中的石墨火花塞插入炉中。用RF线圈进行加热。当 ZrO2管温度高于1500oC时，则将石墨火花塞移开，氧化锆在1500oC或更高温度下成为导体，当RF线圈将ZrO2管温度加热至2000～2200oC时，即可以拉制光纤。ZrO2氧化锆加热炉的结构如图5-3-5。两种加热炉比较，石墨炉价格低廉，升温迅速，存在氧化污染，ZrO2炉升温需几个小时，价格昂贵，而且易受热辐射力的破坏而产生断裂，因而从经济性考虑，石墨炉的采用更为广泛。

与气体氢氧喷灯燃烧器和高功率激光器相比，ZrO2氧化锆感应加热炉具有较大的热学质量，会产生较长的颈缩区，是预制棒的数倍，对预制棒的加热拉丝有一定的影响。

图5-3-5 ZrO2氧化锆感应加热炉截面示意图

高功率激光器是一理想加热源。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，它是一种分子激光器，基本工作原理：采用CO2气体和一些辅助气体（N2 Or He）等混合气体作为激光激活介质，密封于放电管中，管的端部为互相平行的两个反射镜构成谐振腔。激励方式多采用放电激励的形式，可以是连续信号或脉冲信号激励。连续输出的光功率可达kw级，最大可达10kw以上,发出10.6um和 9.6um波长的辐射功率,其电光转换效率

很高，超过10%。 CO2分子是由三个原子组成，不同的激发态取决于结合原子的振动形式。碳居正中，两端各一个氧，三个原子处于一条直线上。振动方式有三种：对称伸缩振动、弯曲振动、非对称伸缩振动。每种量子数不同，分别表示为（100）、（010）、（001）。激发能级是离散性、量子化的。由001跃迁至（100）或（020）的过程，可以得到10.6um和9.6um波长激光，能级图如图5-3-6所示。CO2分子的振动激发是由于电子碰撞激发N2分子的能量转移实现的。 在使用CO2激光器作加热源时，有一点需要特别注意，即硅材料对10.6um波段的能量吸收系数非常大，而硅材料的热容又很低，因此，在光纤预制棒表面温度相当高，会使Si材料迅速汽化。这样，如使用CO2激光器加热，拉制光纤尺寸会受到影响，所以温度的控制就显得非常重要。CO2激光器结构复杂，庞大，价格昂贵，但它的工作可靠性高、寿命长、性能稳定、无污染，因而成为光纤拉丝加热设备的首选。 光纤拉丝工艺中的直径控制是第三个技术关键。为此，在加热炉及预制棒下端拉锥部位要求有相当平静的气氛，任何气流的搅动都会造成光纤直径的高频波动；加热炉内由于“烟囱效应”以及温度梯度引起的气流波动、保护气体气流紊乱流动等现象均需严格控制。为保证光纤直径的精度要求，下列措施是必须的： 首先，要求拉丝塔的底座应与周围建筑物的地基隔离，单独设置地基，以防止厂房周围车辆、机械振动产生影响，引起拉制的光纤直径波动； 第二要求预制棒的拉丝牵引轮的速度要非常均匀平稳；牵引轮，收线盘，电机的传动部分不能出现任何的偏心，否则都会导致光纤直径的变化； 第三光纤直径要有一个十分精密的测量与反馈控制系统。一般选用非接触法之一的激光散射法对刚出炉的裸光纤同步进行遥测。基本测量方法有二种：（1）通过光纤的干涉图形来测定直径；（2）采用扫描激光束产生的光纤的影象来确定直径。测量精度可达到零点几个微米，利用测得的光纤直径误差信号去调节牵引轮的拉丝速度，以获得光纤设计要求正确外径125、140、150±1um等。 在拉丝设备中第四个重要组成部分是拉丝和卷绕系统。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”。 牵引轮和牵引装置及收排线机构如图5-3-8所示，牵引装置一般采用轮式牵引机，牵引光纤在牵引轮上移动，牵引速度即为拉丝生产线的拉丝速度。 收排线装置：主要由收线排线传感器、光纤收线盘、收线张力测量仪、牵引张力测量轮、收线张力调节轮等设备组成。基本的功能是对已涂覆光纤在没有外部张力作用下收卷成盘，为下一道工序做准备。要求收线张力和排线节距合理科学。 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B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。排线方式有三种：矩形排线、梯形排线和倒梯形排线，如图5-3-9所示。 矩形排线 梯形排线 倒梯形排线 图5-3-9排线方式 在拉丝设备中第五个重要组成部分是控制系统。当拉制光纤的直径、温度、气氛等参数发生微小变化时，控制系统自动反馈一个信息，并使变化自动得到补偿，这一作用系统称为控制系统。主要构成部分有：位于加热炉出口的激光测径仪及涂覆后位于张力轮前端的涂层测径仪控制系统，Ar气液面、压力和流量控制系统，炉内温度控制系统以及各自相应的误差信号处理系统及控制拉丝速度的控制机构。若实现一个实用的控制系统，必须考虑影响系统动态响应的许多因素，特别是拉丝机的动态响应。包括控制收线盘和牵引轮的电动机以及机构自身的特性。任何微小的变化，甚至是随机振动或预制棒的颈缩区内的气流与温度变化所产生的细微的变化，都会影响拉丝直径的大小，必须细致地设计拉丝机及其环境才能减少这种影响。下面简要介绍中国电子科技集团第八研究所轩传吴、舒福胜等人设计的实用型拉丝机控制系统的构成。

该光纤拉丝机的整个控制系统以PLC为核心，通过PROFIBUS-DP过程控制总线及MPI多点接口在PLC之间、PLC与计算机之间交换信息，指令系统正常运行。PROFIBUS-DP是一种优化的通讯模块，特别适用于对时间要求严格的自动控制系统，它的通信速率是9.6kb/s-12Mb/s，最大的站数是256。运行信号的发出以及系统需要的各种信号的采集，全部依赖计算机与PLC的相互协作来完成。控制系统如图5-3-10所示。

SIEMENS S7-300 PLC同S7-200和测径仪通过PROFIBUS总线构成DP网络，进行高速运算和信息交换，对线径和中心偏差进行实时运算和调节，保证中心点恒定和线径偏差在允许范围内。其中，S7-300是DP主站，S7-200和测径仪作为DP从站。计算机通过S7-300主站同DP网络交换必要的信息，在系统中计算机的作用是实现人机对话、生产管理、机器运行状态和信息显示、生成历史曲线和历史报表、与企业局域网交换必要的数据。 计算机选用台湾研华公司生产的IPC610系列工业控制计算机。具体配置：PⅢ866CPU，20Gb以上SEGATE硬盘，128Mb内存，ACER18英寸平面直角显示器，威达工控键盘，打印机网卡等。

主站PLC的配置：电源模块PS307 5A，CPU模块S7-300CPU 315-2DP，开关量输出模块S7-300 SM322，模拟量输入模块S7-300 SM331，模拟量输出模块S7-300 SM332，特殊功能模块S7-300 FM353. SM322有八路输出点，支持最大电压230V，它完成系统主要开关量的控制。SM331为两路模拟量输入模块，主要是检测氬气流量和牵引速度两路模拟量。SM332为两路模拟量输出模块，这两路模拟量主分别控制氬气流量和牵引速度。FM353主要的任务是完成由步进驱动器执行的定位工作，在这里主要完成光纤预制棒进给的高精度控制，FM353每发出5000个脉冲，送棒电机才转动一圈。

从站PLC是一台S7-200CPU224，它的主要任务是完成对调心机构的控制及报警状态输入，手动操作时，按钮的动作通过它传递到系统中并执行。它有十四点输入控制，所设计的系统只使用了其中的十一点，十点输出。S7-200CPU224输出点的主要功能是实现对X方向和Y方向两个调心电机的控制。

测径仪选用的是英国BETA公司的激光测径仪，该仪器可以测出产品外径以及生产过程中产品中心与系统中心点的偏差，并通过专用PROFIBUS接口部件将数据传送到系统中，供系统使用。

SR-73是日本岛电公司生产的温控制调节仪，具有与光学高温计连接的接口，并通过RS485端口与工控机连接，将数据传送到计算机，对炉温进行实时控制。

PLC可及时显示系统运行状态及发生的各种异常工况，并根据采集的数据变化进行处理，及时进行调整控制。例如：在生产中，若发现冷却水水压低于系统正常工作时所需的最低压力，或无水供给现象时，当冷却水的水压低于要求正常值的初期，PLC系统就会及时得到信息，立刻发出声光报警并将此信息传送给计算机，同时指出故障的位置，计算机接收到信息后，做出判断并输出指令给加热炉，命令其降温，同时，调节氬气流量，目的是保护加热炉，并控制预制棒馈送系统，使预制棒自动上升离开炉体等一系列动作。

预制棒夹好后，首先要进行预调心，使棒的中心与预定的检测中心重合；然后要预设光纤外径，作为外径回控时的基准，只有生产外观为圆形的产品时才能使用外径自动控制功能。拉丝前将预制棒伸入加热炉中一段距离，使预制棒熔化并在重力作用下落下，稍冷却后，再

用手动工具牵线引入牵引装置。此后，由计算机控制生产。生产速度等工艺参数通过人机界面设定，而产品外径等产品参数由计算机自动计录，供查阅与分析之用。

5.3.2光纤的一次涂覆工艺

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，例如：硅酮树脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙烯酸酯等。涂覆层可有效地保护光纤表面，提高光纤的机械强度并隔绝引起微变损耗的外应力，对新拉制出的光纤进行完善的机械保护，避免损伤裸光纤表面，增加光纤的耐磨性，只有涂覆后方可允许光纤与其它表面接触。涂层的作用是使拉制好的光纤表面不受机械损伤，防止裸光纤断裂。在光纤拉丝机上对裸光纤立即进行预涂覆，将它未受侵蚀的、洗净的表面保护好，防止光纤擦伤和受环境污染， 保持光纤连续拉制过程中形成的玻璃原有状态。

光纤的一次涂覆，通常是在拉丝过程中同步进行的。当熔融光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚没有与空气中水分、灰尘等发生反应或微裂纹尚没有扩大，就迅速的进行涂覆来保护光纤表面，防止微裂纹的形成或扩大，达到改善光纤的机械特性和传输特性的目的。

一次涂层的层数一般为二层：预涂层和缓冲层。极特殊的情况下可有五层结构。涂层数主要由制造者根据具体的使用环境和光纤结构决定。如选用双涂层，需采用二个分立的涂覆器和固化器，可分二步先后进行涂覆和固化或者双涂后一次固化。涂覆后立即以遥控激光测径仪测量涂覆层与光纤的同心度，并利用误差处理系统进行处理，同时自动地水平移动涂覆器，以获得适宜的涂覆同心度。涂覆同心度是一次涂覆工艺的一大技术关键，它对光纤最终机械强度形成的作用与影响非常严重，需要特别关注。

涂层厚度的考虑，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?m，但特殊光纤的涂层直径高达1000?m，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。

5.3.2.1.一次涂覆工艺

一次涂覆根据所使用的涂覆设备的不同，可以有三种不同的选择工艺：1）灯芯涂覆；2）有引导管涂覆器涂覆；3）自动定心涂覆器涂覆。目前，最常用的是第三种工艺。 1.灯芯涂覆工艺

灯芯涂覆工艺是美国贝尔实验室在光纤涂覆工艺研究的早期研制的一种涂覆工艺，它的基本操作原理是：用Kynar7021液将灯芯沾湿后，使裸光纤穿过沾湿的灯芯中心，涂覆上Kynar7021涂层，并用此溶液与六甲基二硅化氧混合做表面处理液，对涂覆后的光纤进行表面处理。这种方法在一定程度上可以起到防磨损的作用。灯芯由毡垫叠层而成，中间留有中心孔，并浸渍上主要成分为丙酮的Kynar7021液，可涂层厚度在12?m左右。这种方法存在着许多严重的缺陷，例如：纤维毡对光纤表面将会造成磨损、涂层厚度的重复性非常差等。基于此原因，改有低粘性有机硅烷作涂覆液体，并以多孔尿烷泡沫绝缘纸替代纤维毡作灯芯材料，这使得灯芯和裸光纤间的磨损大大减少，但是，夹在泡沫中的某些杂质颗粒仍会造成光纤的磨损。所以这种工艺已很少使用。

2.有引导管涂覆器 基本结构如图5-3-12所示。它主要由盛装涂覆液的容器、无压力作用不銹钢模具、引导管、涂覆液封套等组成。模具位于涂覆器的底部，当光纤穿过涂覆器时，光纤的表面粘附一层涂覆液，这层涂覆液凝固后即成固体涂层，光纤必须定位于模具中心，模具决定了涂层

的几何形状及光纤在涂层中最终的中心定位。为保证光纤在模具中易于定位，再涂覆器中靠近模具的地方放置一根引导管，内充满涂覆液。这种结构的涂覆器有三个优点：（1）光纤中心定为容易；（2）涂覆液通过引导管时，本身可起到润滑作用，保护光纤不受损伤；（3）因为这种模具无压力特性，避免了在有压力存在的挤压过程中出现的横向压力差问题。 采用无压力模具/引导管涂覆器时，产生的唯一压力是来自光纤运动时所引起的液体流动时产生的压力。对柱形光纤而言，这种压力只会将光纤推向引导管的中心，其可用潤滑理论解释这一现象。这种方法所用涂层材料通常是乙烯-醋酸乙烯共聚物，简称EVA。一般为热溶液涂覆。材料配方实例：溶解指数为8，醋酸乙烯为18%级，溶于1，1，1-三氯乙烷，得到单位容积重量百分比为28.3%的溶液。涂覆温度为51oC，在有模具条件下，溶液冷却并形成凝胶的时间约为1秒钟，此时，胶体坚韧的程度足可经受拉丝牵引轮的牵引力，而不会受到损伤。涂覆光纤在不受力的情况下，从牵引轮收到收线盘上，溶剂在收线盘上蒸发、固化。由于溶剂的蒸发，使得最终涂层厚度较最初凝胶层厚度减小一半。因此，要得到一定厚度涂层，模具直径必须大于实际涂层的直径尺寸才可以，然而，当模具直径增大时，流体产生的定心力就会减小，影响光纤的中心定位。 3.自动定心涂覆器 这种结构的涂覆器的自动定位原理是：利用涂覆液的液体动力的作用，当光纤穿过模具时，依靠涂覆液流体动力使光纤移向模具中心，位移量的大小取决于所设计的模具结构和流体的特性。但是由于一般的涂覆液的流体动力都是非常小的，只要模具对光纤的自由路径稍不对准，就会使定心破坏，导致涂层出现很大的偏心，影响光纤传输的质量。 为解决偏心问题可以采取两种方法：（1）设计具有最大流体定心动力的模具；（2）使涂覆模具保持精确的对准。经大量的研究，人们发现，定心力对模具出口直径和光纤直径之比是非常敏感的，可以由对定心力的测量调整模具装置的侧面移动度，这已由实验得到验证。在这类涂覆器中，模具和光纤自由路径的对准受机械方面变化的影响很小。 自动定心涂覆器最常用的涂覆结构有二种：无外部加压开口杯式和压力涂覆器，如图5-3-16。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。 压力涂敷器树脂涂敷速度与下列因素有关：（1）液体的粘度 ；（2）涂层厚度；（3）烘干速度；（4）光纤离开加热区的冷却速度。 5.3.2.2.紫外固化工艺 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）即Eg=hυ，且满足一定时间和强度要求，使涂层固化。 UV灯的光功率大小由拉丝速度决定，而拉丝速度又由UV灯的型号、功率大小和灯的数量决定。目前使用的UV灯有D型和H型，H型灯泡可满足高速固化的要求（1—7灯泡）。在速度一定的条件下，功率过低，会使涂层得不到充分固化，出现表面发粘现象，而功率过高又会引起过固化并缩短灯泡的使用寿命。因此在涂覆工艺中，必须要找出UV灯光功率与拉丝速度的最佳比值，即“光固化因子”。？所谓光固化因子是指照射某种液体物质的总光功率值W与在此光功率作用下该液体物质固化速度V的比。根据光固化因子设定光功率与拉丝速度。而拉丝时的光功率则可由下式得出： W?V?W0V0 （5-3-15）

式中：V—正常生产速度；V0—设定速度；W0—设定功率。

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。

5.3.3冷却水处理与气氛保护

离开加热炉喷嘴的裸光纤在进行保护涂覆之前，应留有足够的冷却时间，采用的冷却措施是循环水冷，主要由冷却水管和提供压力及循环水的水泵构成这一系统。需要冷却的部位有三部分：炉体、裸光纤、预涂层固化后光纤和缓冲层固化后光纤。在裸光纤和涂覆固化后光纤的外部用双层玻璃冷却水管进行循环水冷却。从喷嘴出口温度2000-2300oC骤冷到55-15oC，可减少光纤内部结晶的形成，降低原子缺陷产生几率，注意不能在过高的温度中进行退火，而且退火时间不宜过长 ，否则将会引起反玻璃化现象，使光纤的强度大大降低。裸光纤也可不进行冷却而直接进行涂覆。玻璃管最内层与裸光纤或涂层相接触的管内空间充入He气，保护裸光纤不受水分子的侵蚀、隔离氧气并具有除去光纤或涂层中存在的气泡功能，He气是一种除泡剂。

当光纤预制棒进入加热炉的一刻起，它就处于各种气氛的保护中，在加热炉中填充Ar气进行气氛保护。当光纤自加热炉端部喷嘴流出的一刻起，直到自最后一个固化炉固化完成后，在整个拉制过程中，如果光纤直接与空气接触，将导致空气中存在的潮气水分与光纤发生作用，使光纤的裂纹扩展。为确保光纤的机械性能和传输特性，光纤应始终处于气氛的保护中，在拉丝路径中，通常采用氦He作保护气氛，目的是除去光纤拉制路径中可能产生的气泡并隔绝空气。在涂覆器和固化炉内一般充以氮（N2）气保护，原因是N2气的分子重量非常的轻，易于穿透涂覆层，避免保护气体被裹包在涂覆层中，而产生气泡，影响光纤的质量和使用寿命，强度降低，且光纤的OH –吸收衰减增加，影响光纤的传输性能，氮气的作用主要是提供一个无氧环境，达到涂覆、固化效果最佳的目的。氮气的纯度一定要高，一般要求纯度在99.95%以上。实际在工厂要求其纯度应达到99.99%以上。在整个光纤的拉丝中存在着三种保护气氛，其目的只有一个，就是使光纤隔绝空气，降低OH根引起的衰减，提高光纤的机械强度。为了达到这一目的，在实际的光纤生产中，既使在生产的间歇，各种气氛的管路内、加热炉内以及涂覆器、固化器内，只要是裸光纤所接触的路线，都要充入氮（N2）气保护，要避免空气进入上述各管路中。

5.4 光纤张力筛选与着色工艺

5．4．1张力筛选

经涂覆固化后光纤可直接与机械表面接触。为确保光纤具有一个最低强度，满足套塑、成缆、敷设、运输和使用时机械性能要求，在成缆前，必须对一次涂覆光纤进行100%张力筛选。张力筛选方式有两种：在线筛选和非在线筛选。所谓在线张力筛选是指在光纤拉丝与一涂覆生产线上同步完成张力的筛选，这种筛选方式由于光纤涂层固化时间短，测得的光纤强度会受到一定影响，独立式光纤张力筛选是在专用张力筛选设备上完成，一般情况下均采用独立式光纤张力筛选方式进行光纤张力筛选。

5.4.2光纤着色工艺

1．定义:光纤着色是指在本色光纤表面涂覆某种颜色的油墨并经过固化使之保持较强附着力的一个工艺操作过程。

2.原因:光缆结构中的光纤根数已从每单元内放置一根光纤,发展到放置2、4、8、12、24、48、144、200、260、540、600、1000、1500、2000、2004等多根光纤,由于这一结构上的变

化,给光纤的接续和维护、查检带来了许多不便,为便于光纤的标记和识别,必须对光纤采取某种标识方法，以便于人们对其进行区分，这一方法就是着色处理。

着色方法，过去一般紧套光纤在一次涂覆后着色或在二次涂覆材料中加入颜料，同步着色，而带纤在成带前着色，松套光纤在一次涂覆后着色。现在无论何种光纤，通常都采取在一次涂覆后着色工艺。

3.要求:对着色工艺要求是着色光纤颜色应鲜明易区分，颜色层不易脱落，且与光纤阻水油膏相容性要好，且着色层均匀，避免断纤。

4.方式:常采用的着色方法有两种：在线着色和独立着色。在线着色是指在拉丝和一次覆过程中，同步完成着色的一种方法；而独立着色是利用专门的着色设备在已涂覆的光纤上独立着色处理的方法，目前采用后一种方法进行着色处理更多些。

5.4.2.1．光纤着色生产线及设备。

光纤着色工艺的完成主要采用着色机实现。着色机是一种在本色光纤表面涂覆不同颜色涂料并能够使其快速固化的设备。

奥地利MEDEK-SCHORNER公司生产的GFP-UV-G1型着色机：该机主要由五部分组成：光纤放线装置，颜料涂覆系统，牵引装置，收排线装置，主控柜和辅助设备，该机的生产速度可以达到1500ｍ／min．光固化单元采用二台ＵＶ固化炉，随后的冷却处理采用风冷方式完成。所有的驱动均采用交流伺服调速电机系统，整机控制由PLC完成，人机界面是一台工业PC机。

光纤放线装置：主要包括有光纤放线盘、放线排线架、放线张力测量轮、放线张力调节轮等元件。它的作用是按照合理的放线张力将光纤自放线盘中放出，保证光纤不受到张力的作用且不松驰、扭曲、松紧适度、使被光纤盘緾绕有一定弯曲曲率的光纤平直，并不受任何的机械损伤。

颜料涂覆系统：主要有去静电装置、涂覆模具、颜料供应容器、冷却风机、固化炉、光纤外径测量仪等设备。它是着色机的核心部分。着色的工艺质量与着色层的厚度、不圆度、同心度均由其的操作决定。是着色机最关键部位。

颜料:兰 桔 绿 棕 灰 白 红 黑 黄 紫 粉红 青绿

牵引装置：采用轮式牵引机，牵引光纤在设备上的移动，通常，牵引速度即为生产线的线速度。

收排线装置：主要由收线排线传感器、光纤收线盘、收线张力测量仪、牵引张力测量轮、收线张力调节轮等设备组成。基本的功能是对已经着色光纤收卷成盘，为下一道工序做准备。要求收线张力和排线节距合理科学，排线节距为0.29±0.02mm。

主控柜和辅助设备的设计可参阅5-3-1中控制系统相关内容。

5.4.2.2.着色工艺生产中主要控制参数

评价一台着色机的性能的最关键的指标是：在保证不损害光纤的各种性能和一定颜料固化度的前提下的最高生产速度

1）.放线、收线张力控制和排线质量

要严格控制收放线张力值，在选择张力值时应考虑两个因素：一方面应保证光纤在移动传输过程中平稳不抖动、不松驰、不拉紧，另一方面应保证光纤在收线盘具上排线质量。 通常光纤放线张力控制在50-60±5g，收线张力控制在60-70±5g。排线节距为0.29±0.02mm。

2）.着色速度的要求

光纤在着色时，其着色生产线线速度的控制与时间之间应遵循这样的关系：

①以缓慢速率（上升速率应为均速）将着色机线速自0升到V0初始速度，所需时间为t0； ②当着色机线速升至V0时，以30~50m/min的慢速升到正常的生产速度Vt=1000~2100m/min。

在此期间，当速度升到Vi=100m/min时，向着色涂覆器和紫外固化炉内充入氮气（N2），Vi 对应的时间为ti，而到达生产速度的时间是tt；

③以正常生产速度Vt运行设备，着色操作进入正常的程序；

④着色工艺结束时，应将生产线速度以均匀的速率降低，而最终速度应控制在适当范围内，否则如生产线的速度过快，光纤将受到拉伤，促使裂纹增大甚至使光纤断裂。

在着色光纤运行结束时，最终速度最佳控制在0m/min。但在实际生产中，为了不浪费光纤，使光纤全部被绕到收线盘上，一般最终速度保持在100m/min以下即可。

3）.模座温度和着色模尺寸规定：

模座温度主要根据油墨粘度特性、生产速度等因素调节。模座温度过高，使油墨粘度过低，产生回流现象严重，且会出现过早固化现象，而模具孔也会有残留硬物出现，此时，光纤在穿过模具时，表面会受到刮伤；温度过低，油墨流动性变差，在高速着色操作时，影响油墨供给，会出现间歇着色现象，光纤表面着色不均。因此，针对不同型号及不同颜色的油墨必须找出与生产线速度V匹配的的最佳温度点。一般情况下，当生产线速度为1000-2100m/min时，着色模座温度在30-65℃.

随着光纤拉丝工艺的成熟与发展，光纤外径的均匀性也得到很大的改善。着色模直径尺寸由原来较粗大（?275 um）向着更精确发展，对于普通通信用的多模和单模光纤的着色层而言，现已控制在?258um，甚至精确到?252um。着色模直径尺寸大小与光纤外径有着密切的关系，着色模直径过大，会使光纤着色层偏厚，一方面浪费油墨，另一方面会因膜层过厚出现固化不良现象；而直径过小，一次涂覆光纤在模具中受阻严重，会导致光纤断裂。因此，着色模直径尺寸一定要根据光纤的外径要求进行正确的选择。

4）.着色油墨（着色剂）

传统光纤着色剂有两类，表印油墨和丙烯酸基油墨。经多年研究，目前推荐使用的着色剂是后一种，即丙烯酸基油墨，为了保证油墨的质量，油墨必须储存在30℃以下，干燥无日光照射环境下。为保证着色层色泽均匀，使用前应搅拌油墨。若未进行搅拌或搅拌不均匀，会出现颜料与基料分离或有沉淀物产生，导致着色时，光纤着色层颜色不鲜明或无颜色。 严格控制油墨的压力， 2.4bar或2.1bar,可根据生产线的速度和油墨的粘度进行调节，压力过高时，会使回流严重，造成油墨浪费，过低，在高速情况下，油墨供给不足，着色量过少，产生间歇染色现象严重。油墨加热温度应控制在40～65℃。

5）.烘干速度：

着色剂固化烘干由UV紫外灯固化完成，烘干速度由UV紫外灯光功率大小决定。而UV灯光功率的大小则由生产线的运行速度决定。一般烘干速度应与生产线速度同步。

6）．环境条件： 着色工序对环境有着较高的要求，环境温度应控制在１５～３０℃，同时，光纤高速运动下带有静电，会吸附空气中的尘埃，经过着色板时会堵塞着色模口，导致光纤受力甚至光纤断裂。因此，要保证工作环境的干燥,清洁，并定期对光纤导轮、导孔、模具、瓷钩、过滤网、石英管等部位进行清洗并且保持清洁。

5.5光纤二次涂覆或套塑工艺

光纤二次涂覆工艺，有时又称之为套塑工艺，它是对经过一次涂覆着色后光纤进行的第二层保护操作。经一次涂覆后的光纤，其机械强度仍较低，如不经进一步的增强仍是无法使用的。众所周知，光纤在实际使用中不可避免的要受到外部张应力或压应力或剪切力的作用，外力作用不仅会影响光纤传输性能，对其机械特性的影响会更大，同时，当外部环境温度发生变化时，由于一次涂覆光纤的温度特性差，也会影响光纤的传输特性。为此，为滿足光纤在成缆、挤护套等后序各工序以及运输、？设、实际使用时对其传输特性和机械特性的要求，

必须对一次涂覆着色后光纤进行进一步保护，使光纤具有足够的机械强度和更好的温度传输特性。套塑操作的目的就是要保护光纤的一次涂覆层，增加光纤的机械强度，改善光纤的传输特性与温度特性。套塑工艺操作可分为松套、紧套、成带三种工艺方式。松套工艺是在一次涂覆光纤的外表面，再挤包上有一定直径一定厚度的松套缓冲塑料管，简称松套管，一次涂覆光纤在松套缓冲塑料管中可以自由移动，松套管内充有阻水石油膏，根据套松管内光纤结构的形态可以分为二种：普遍松套光纤套塑，此时，管内光纤可以是一根，也可以是一束多根；光纤带松套套塑，松套管内光纤为光纤带；紧套光纤，顾名思义就是将经过一次涂覆的光纤外层再紧紧的挤包一层同心丙烯酸酯、尼龙或聚乙烯等高分子聚合物层，二次涂层紧贴在一次涂覆层上，光纤在二次涂层不能自由移动；所谓光纤成带就是将若干根，如：2X2、4X4、6X6、8X8、12X12、16X16、24X24，着色光纤按照一定的规律，有顺序的平行排列在一起，并且用聚乙烯等高分子材料粘结成带状光纤后再叠带的工艺操作过程，而排列、粘结的工艺过程称之为成带，又称并带。下面分别进行论述。

5.5.1光纤紧套工艺

为了保护光纤不受外部影响而在光纤涂覆层外直接挤上一层合适的塑料紧包缓冲层的过程，称之为光纤套紧工艺。目前生产紧套光纤常用的方法有两种：一种适用外径为250μm的一次涂覆光纤，将其直接套塑至900μm；另一种是采用二层涂层完成 ，先将外径为250μm的一次涂覆着色光纤涂覆一层缓冲层，缓冲层直径在?350～?400μm，然后再紧套至900μm，缓冲层材料一般采用硅酮树脂，。两种方法各有利弊。第一种方法工艺简单，但是由于涂层过厚，??＝650μm，给涂料的固化带来不便并且在固化过程中，由于温度变化和残留应力作用，使光纤传输性能受到影响；第二种方法可以缓解第一种方法的不足，并且由于缓冲层使用硅酮树脂，可以更好地改善光纤温度特性，但是其工艺相对复杂，设备投资增加，工序增多。

5.5.1.1.紧套光纤生产线及设备 紧套光纤生产线主要由光纤放线装置、光纤预热器、吸真空装置、挤塑机、冷却水槽、牵引轮及牵引装置、激光测径仪及同心度测试仪、测包仪、张力控制架、收线装置及控制系统组成，如图5-5-1所示。生产线的基本运行过程是这样的：

图5-5-1紧套光纤生产线及设备

首先将一次涂覆着色光纤从光纤放线架上放出，利用放线传感器和放线张力测量轮得到放线张力的大小，由张力调节轮完成对放线张力的调整。经光纤预热器将光纤加热到某一温度，这一温度不能过高，否则将引起光纤微弯的增加，将一次涂覆光纤送入挤塑机中，光纤

自挤塑机内与模具同向的导向管中穿出，利用牵引装置提供一个恒定的牵引速度，同时，将高分子料自挤塑机的进料口填充入挤塑机的加料区并经预热区加热，形成熔融态粘稠状物料，通过挤塑机内模具拉成管状，并通过吸真空装置使二次熔融态粘稠状紧套涂层材料紧密的粘附结合在一次涂覆光纤上且表面光洁，将从挤塑机出来已涂覆的光纤进行水冷，利用冷却水槽对涂覆后的光纤进行梯度水冷却，首先是温水冷却（45-30℃），然后采用冷水冷却（20-14℃）使涂覆层迅速固化并利用吹风机吹干，最后利用激光测径仪测量二次涂覆光纤的直径大小及同心度和的变化、有无包块产生，并反馈回挤塑机控制涂层的尺寸和同心度状态及挤塑机温度，最后利用张力传感器和张力控制装置控制收线张力大小、用排线装置排线并将光纤收到收线盘上，生产线的速度就是牵引轮的牵引速度。

5.5.1.2.紧套光纤主要的工艺参数

光纤二次紧套涂覆材料与一次涂覆光纤应粘合紧密合理，粘合过紧会造成光纤衰减增大，过松会造成光纤一次涂层与二次涂层间存在有余长，同样会增大光纤的衰减，而且要求二次涂层表面应光洁，为此应严格选择涂层材料并控制相应的工艺参数：

1）紧套涂层材料：

对涂层材料的选取应遵守这样的原则：所选的材料应以可提高光纤的低温性能和抗微弯性能材料为最佳。目前，世界上最常用的材料有这样几种：硅酮树脂、尼龙12、聚乙烯、聚酯、聚丙烯酯和PVC。国内主要用材料有硅酮树脂、软PVC、尼龙12，丙烯酸酯。在生产使用前，应对高分子涂料进行烘干处理，PVC涂料的烘干温度为70?5?C，尼龙料的烘干温度应为80?5?C,必须彻底烘干物料，除去水分，以免殘留水分在挤制过程中进入光纤内部，影响光纤的衰减值。

2）紧套光纤模具配置

光纤紧套工艺生产线采用的模具一般为拉管式模具，主要原因是他易于成型，不易在生产过程中出现脱料。根据大量经验得到，光纤紧套生产用模具的拉伸比一般控制在3.0—

5.0。

3）生产过程中，要严格控制挤塑机机头的真空度与出口温度，使其无空气混入，在涂层中避免产生气泡，并使二次涂层与一次涂层粘合紧密、固定。

4）严格控制并调节第一、二节水槽温度。为避免因冷却水与挤塑机出口温差过大，使高分子涂料产生大的收缩，致使一次光纤受压应力作用，必须采用梯度冷却。第一水槽采用与挤塑机出口温度接近的温水冷却，第二水槽用冷水冷却。

5）调节并控制光纤预热器的温度。预热一次涂覆光纤，使一次涂覆光纤温度接近挤塑机物料温度，保证涂料与光纤粘结牢固。

6）严格控制并调节生产线速度。生产线速度受光纤冷却速度、挤塑机挤压速度、光纤牵引速度所限，应使它们很好地同步配合工作。

7）调节并控制光纤放线张力、牵引张力、收线张力的大小。保证光纤所受拉应力最小、残留应力最小，从而降低光纤的衰减，提高光纤的机械强度。

5.5.1.3.影响紧套光纤质量因素及解决措施

紧套涂覆材料温度特性是影响紧套光纤关键因素，也是制造紧套光纤必须考虑的问题。因为涂覆紧套光纤的温度特性除与光纤本身结构参数和抗微弯性能有关外，还与光纤的 二次涂覆层材料性能相关。套塑后，由于冷却固化，尼龙、聚乙烯等塑料会收缩，产生一个收缩外力作用在一次涂覆光纤上，会使光纤产生微弯，导致光纤微弯损耗的增加，使光纤总的传输损耗增大。塑料产生收缩作用力的原因由二个：

1）裸光纤为SiO2玻璃光纤，SiO2材料的线膨胀系数α=5X10-7/℃,而塑料涂覆材料的线

膨胀系数α=5X10/℃ 两者相差三个数量级，在冷却温度发生变化时，塑料会产生一个收缩力作用到光纤上，足使光纤衰减的增加。 2）光纤经紧套涂覆加工后，在塑料层内会残留部分内应力，当光纤受温度影响发生变化时，造成内应力的松弛（排泄），或在常温下存放时，随存放时间的延长，内应力也会缓慢松弛，足使紧套涂层收缩，导致光纤微弯损耗增加。 为减少这种因套塑工艺引起的附加损耗，应从以下几个方面来考虑解决此问题： 1)应选择线膨胀系数与sio2材料相近的涂覆材料作涂覆层，替代目前使用的硅酮树脂，尼龙等材料。或选取线胀系数小，杨氏模量较低的涂料，但若材料在这两方面的性能过低，它的抗侧压性能会明显下降，因此要对两方面的指标综合考虑，选择弹性模量适中的材料作紧套涂覆材料。 2）选择合理的紧套工艺，保持模具的光洁度，同时选择合适的塑化温度，并使塑料的冷却速度、挤出速度和光纤牵引速度之比达到最佳，尽量避免套塑时光纤的振动，尽力消除光纤残留的内应力，严格控制冷却温度。 3）减少涂覆层的横截面积。当光纤的几何尺寸一定时，涂覆层的外径越大，涂覆层横截面积越大，涂覆光纤的温度特性越差，建议使用第二种工艺生产方法。 5.5.1.4.生产中保证紧套光纤产品质量的工艺方法 在实际的生产中，为保证产品质量，可以从工艺参数的调整入手，具体可以调整的参数主要包括这样几项：， 1）可通过调整挤塑机机头的真空度来改变紧套涂层与一次光纤的附着松紧； 2）调节一、二水槽的冷却水温，使紧套涂层材料具有理想的收缩度； 3）还可以通过调节光纤进入挤塑机前的预热温度使紧套涂层与一次涂层粘结的更牢固； 4）调节生产线的速度，保证紧套光纤具有要求的涂层厚度； 5）调节光纤的放线张力、牵引张力或收线张力，改变光纤紧套涂层涂覆质量并使光纤不受力。 除上述工艺参数的调整外，在实际的操作中，还应该注意一些操作细节，如： 由于紧套光纤的外径较松套光纤的外径小得多，挤塑机的螺杆要求与普通挤塑机的不同，必须使用低输出螺杆，检查机内的殘料滞留情况等等。 -45.5.2光纤并带工艺 5.5.2.1基本参数与色谱规定 光纤并带就是将若干根着色光纤，按照一定的色谱有序的排列粘结在一起后叠带的工艺操作过程。将单独的光纤排列粘结的过程称之为并带，而叠带由若干条已并带的带纤叠层并由并带机完成，将若干层并带纤叠层而成的带纤称为叠带。光纤带由具有预涂层的光纤和UV固化粘结材料组成，粘结材料应紧密地与各光纤预涂层粘结成为一体，其性能应满足光纤的要求，光纤带中的光纤应平行排列不得交叉，相邻光纤应紧挨，中心线应保持平直，彼此平行并共面。 在光纤并带过程中，着色光纤的排列顺序有两种方法：全色谱和领示色谱。 全色谱标识 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 兰 桔 绿 棕 灰 白 红 黑 黄 紫 粉红 青绿 # # # # # # # # # # # # 领示色谱标识

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 白 白 白 白 白 兰 白 白 白 白 白 白

并带与叠带层的标识（12层为例）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1.5.9. 兰 桔 绿 棕 灰 白 红 黑 黄 紫 粉红 青绿 2.6.10. 白 白 白 白 白 兰 白 白 白 白 白 白 3.7.11. 兰 桔 绿 棕 灰 白 红 黑 黄 紫 粉红 青绿 4.8.12 白 白 白 白 白 红 白 白 白 白 白 白

在20世纪90年代初期，光纤带有两大类结构，一类是边缘粘结型，一类是包封型，可参阅第三章相关内容。前者以一次涂覆形成，光纤带厚度为280～300μm；后者以二次涂覆形成，内层带涂料模量较低，用以抗微弯，外层材料模量较高，用以增加机械强度，光纤带厚度为380～400μm。由此，引出光纤带生产方法存在两种：二次涂覆成型，此方法需要经过二次固化，内层材料起保护光纤作用，外层材料比较硬，防止光纤受到挤压侧压。一般情况下包封型结构都采用这种方法。一次涂覆成型，经过一次固化后直接成型，是一种最常用的方法。现在鉴于标准化、技术和经济等原因，两者逐渐合而为一，光纤带的厚度统一为300～350μm之间。光纤带规格有2X2、4X4、6X6、8X8、12X12、16X16、24X24芯，24X24型带纤是近年发展起来的技术。国内准标对光纤带几何参数的规定如表5-5-1所列，国际上规定光纤带的最大几何参数尺寸值如表5-5-2所列 。

表5-5-1国标光纤带几何参数的规定

光纤带芯数 4 6 8 12 光纤带宽度w(μm) 1150 1645 2180 3250 光纤带厚度h(μm) 320 320 320 320 光纤带平整度p（μm） 25 25 25 30 相邻光纤间距d（μm） 280 280 280 300

两端光纤间距b（μm） 800 1320 1900 2880

表5-5-2 国际上规定光纤带的最大几何参数尺寸值（μm） 纤数n 宽度w 厚度h 相邻间距d 两侧间距b 平整距p 2 700 400 280 280 - 4 1230 400 280 835 35 6 1770 400 280 1385 35 8 2300 400 300 1920 50 10 2850 400 300 2450 50 12 3400 400 300 2980 50

5.5.2.2.光线带主要控制工艺参数（参数以NE?TROM机为例） 1）放线张力

并带的放线张力为50～60?5g，并且对放线张力的一致性有很严格的要求，必须保证每根光纤受到相等的放线张力，否则成带后就会出现单纤衰减增加现象。每根光纤所受张力是否一致，可由成带光纤的一致性检查评价。可采用最简单的方法，取光纤带若干米，平直放置在地板上或垂直悬挂，如果光纤带能平直放置，则说明张力控制一致，如果光纤带有卷曲异常现象，则证明光纤带张力不一致。张力控制是并带工艺的关键。

2）除静电方法 由于成带过程中，光纤在高速下运转，表面有静电产生，光纤间会相互吸引扭绞在一起，严重影响光纤在模具中的排列位置，造成平面度达不到要求，因此，为了除去静电，在光纤

上、下两导轮间装配一个除静电装置。

3）生产线速度

生产线速度主要根据涂覆材料的性能、UV灯功率和数量、打字机速度以及设备极限速度进行调节。如12芯全色谱单模光纤，为了便于识别这些光纤，其涂层的外表面都需要打印标记，从第一层到第12层光纤带表面分别打印“12B1-1”、“12B1-2”、??“12B1-n”、??“12B1-11”、 “12B1-12”字样，打印字符每一个循环间距为200mm，为保证印字正确清晰，生产线速度一般不宜超过300m/min。例如：当采用双灯管椭圆反射屏式结构固化炉时，UV灯功率为2X1000W，六芯带的生产线速度为100m/min，而采用两级固化炉时，UV灯功率4X1000W，生产线速度可以达到200m/min。

4）着色光纤外径与固化度的要求

根据模具尺寸的大小，着色光纤外径一般控制在257μm以下，如外径过大，会使光纤在模具中受堵，受力后光纤易被拉断；太小，会影响光纤带的平整度。光纤带中的着色光纤固化度要求在90％以上，如固化度在90％以下，剥离光纤带时会出现着色光纤颜色成分一起被剥离，造成接续时难以识别。

5）涂覆器中树脂和模具温度

涂覆器中树脂和模具温度为45～60±10℃，整套模具由导向模、口模、径模组合而成，每个模具的加工精度要求极高。模具长时间使用后会出现偏心，磨损等现象，因此要求对模具进行定期检查、评定，否则会造成光纤在模具中受伤断裂及平整度较差等现象。

6）UV灯功率和氮气纯度、压力 UV灯的功率主要根据设备的情况而定，一般而言为了提高生产效率，设备厂家都采用两台UV灯固化炉进行固化，第一个UV灯固化炉主要起定型的作用，第二个UV灯固化炉加强光纤带的固化效果。功率的设定根据UV灯功率而定，如功率设定太低，会使光纤带固化不良，表面带有异味；过高，会影响灯泡的使用寿命。固化炉内使用氮气的目的主要是提供一个无氧环境，使固化效果更好，与一次涂覆、着色工艺的目的完全相同。氮气的纯度要求达到99.95%以上，压力为6 x 105Pa，并保持恒定。

7)收线张力和排线质量

光纤带收线张力一般控制在100～120±10g。光纤带的收线张力主要靠收线跳？轮处的气压进行调整，正常工作气压为5－6bar。收线张力过大会使收线盘具上的光纤带受力，衰减增加；过小，会使光纤带有抛丝现象，在后序的套塑工序放线时会出现断带现象。光纤带的排线质量在带纤生产过程中，是一个非常重要的控制参数，它的质量对成带质量的好坏有最直接的影响，排线方式和节距的选择必须合理。

8)环境要求：

并带与着色工艺一样，对环境条件有较高的要求，同时为了去除静电，对湿度有一定的要求，一般要求环境湿度控制在40％左右。如有颗粒灰尘进入并带模中，会影响模具的空间，使光纤受力甚至损伤或断纤。因此，要求并带过程中光纤经过的导轮及其它部件无目视可见的颗粒灰尘。

5.5.2.3.并带生产线与设备

并带工艺主要由光纤并带机来完成。并带机是将多根光纤用粘结材料粘结合并成一根光纤带的设备，它所使用的粘结材料是对特定频段UV灯光敏感的高分子材料，如丙烯酸酯、聚乙烯等，类似于着色料，是无色透明的材料。按照光纤穿过模具的方向不同，并带机可分为卧式和立式两种。评价一台并带机性能的好坏，主要从三个方面考虑：

a.光纤带的几何尺寸:关键参数是光纤带平整度P； b.并带时生产线速度； c.操作时难易程度。

1).12芯边缘粘结型光纤带制造工艺

这种工艺最常使用的设备有芬兰NE?TROM公司生产的OFC21型光纤并带机。它是一种卧式并带机，如图5-5-2所示。该机主要由三大部分组成:12个放线盘、成带单元，收线装置。并附带有去静电装置，喷码打印机等辅助设备，该机配以不同的模具，可以生产4芯、6芯、8芯、12芯光纤带，其中4、6、8芯带生产速度可以达到300m/min，生产12芯带时速度为150m/min，光纤带的平面度均达到要求。固化炉单元采用二级固化，每级6000W功率输出。固化炉采用FUSION公司产品，UV灯为无电极汞灯。整机结构速度1000m/min。所有的驱动装置均采用交流变频调速，系统控制采用PLC控制（参阅5-3-1中控制系统相关内容），人机界面是液晶显示屏与薄膜键盘。组成该机的三大部分之间是相对独立的，即各部分可以单独工作，不受干扰。

放线单元由放线盘，放线张力调节轮，放线张力测量轮和显示器组成。放线盘的转速完全由张力轮驱动控制，张力调节轮后面联接一个空气阻尼缸，缸内的空气压力可以根据需要即时调节，调节后放线的张力也随之改变，具体数值可在显示器上实时读出，12个放线张力均可独立的调整，在各个放线单元出口处均设立一个除静电装置，消除储存光纤上的静电荷，避免光纤之间电荷相互吸引或相互排斥，保证光纤整齐排列后进入模具。

成带单元有以下几部分：汇线上、下导轮, 模具、模座、丙烯酸酯供应系统，涂覆器、固化炉、涂覆器和固化炉氮气供应系统，牵引装置等。从放线装置来的着色光纤经三个汇线导轮导向排列后进入模具进行涂覆，涂覆时要控制涂覆料的温度和压力。光纤带从模具出口直接进入固化炉固化，固化炉中UV灯功率随着生产速率的变化而变化，固化时氮气供应系统会同步工作，光纤带在固化炉出口处出来，经过一个导向轮进入牵引装置，导向轮后方装有一个张力测量器，牵引张力可以实时地在显示屏幕上显示。在固化单元人机操作界面上可以观察并修改的参数有：运行速度、慢速速度、涂料供应的各段温区温度、涂料供应压力、生产带纤的长度等。

收线单元由收线控制界面（包括x—y几何测量仪）、收线盘组、收线张力调节器和排线导轮等组成。成带后的带纤由牵引轮引出后，经x—y几何测量仪测定带纤的几何尺寸，满足要求者，经喷码打印机打印产品识别标志进入收线。收线装置带有独立的控制面板，可以设定线盘的尺寸、排线节距、排线方式等。

2）12纤包封型光纤带制造工艺

12纤包封型光纤并带设备主要由12芯光纤放线架、放线张力调节轮、放线张力测量轮、放线张力传感器、12槽导轮、二个涂覆器、二个固化炉、牵引张力测量仪、牵引轮及装置、X-Y几何参数测量仪、收线张力控制架、收排线轮、控制系统（可参阅5-3-1中控制系统相关内容）和人机界面以及除静电装置等组成，如图5-5-3所示。

图5-5-3 12纤包封型光纤带制造工艺流程图

选择12盘合格的着色光纤，排列时采用领示色谱顺序或全色谱排列，将其放在光纤放线架的放线盘轴上，并从放线盘上将其放出，经12槽的导向轮拉动，导向轮上、下各一个，在导槽中间位置配置一个除静电装置，除去光纤上的静电荷，将成带排列的光纤送入1＃涂覆器的模具内涂覆一层高分子涂层，并送入1＃UV固化炉固化，在涂覆器和固化炉内应充入N2气保护。第一层涂层固化度达到70%，送入2涂覆器，涂第二层涂层，并送入2固化炉内，固化后利用牵引辊牵引光纤带移动。牵引张力大小由一个牵引张力测量装置时实在线测量并由显示屏显示数值。光纤带自牵引辊引出后，进入收线状态，收线张力的大小由收线张力控制架控制，并经排线轮排线，最后收线到收线盘上。在牵引辊与张力控制架间利用非接触式激光测量仪测量光纤带的二维几何参数并时实自动调整。

5.5.2.4．并带粘结材料：

光纤并带利用的粘接涂料的要求基本上与紧套光纤所用涂料相同，即可选用紧套光纤

＃

＃

用涂料：内层可用硅酮树脂、UV丙烯酸酯，外层多用尼龙、软PVC、聚乙烯等材料，也可只用UV丙烯酸酯作带纤涂层材料。 5.5.3松套套塑工艺 光纤松套套塑是光纤光缆制造中的关键工序。因为套塑不但为光纤提供了进一步的抗压抗拉的机械保护而且制造了光纤余长。光纤余长的产生使得光缆具有优越的机械、物理性能。在光缆的敷设与运输时，当环境温度变化及外力施加时，会使光缆有一定量的伸缩量，而光纤余长的产生使光纤在光缆受到伸缩变化时可以不受外力或使外力的作用减小到可以承受的程度。另一方面，由于松套管内壁与一次着色光纤间有一定的空间间隙，通常二者之间的间隙需填充触变性的阻水油膏，由于阻水油膏的存在，当有侧压力施加在松套管上时，松套管产生的形变不会直接作用于光纤，阻水油膏为光纤提供了有效的机械保护。 5.5.3.1光纤束套塑工艺 光纤束套塑工艺是将数根（2～12根）单根着色光纤通过油膏填充装置，利用油膏与光纤间的摩擦力与纤膏一道进入挤塑机套塑料缓冲管，并经水槽冷却收到收线盘具上的操作过程。一般将光纤束套塑分为两类：中心管式和层绞式。根据不同的光缆结构要求，提供不同光纤余长所需的套管。光纤束套塑生产工艺流程如图5-5-4所示。 多头光纤放纤架 塑料颗粒料 主控柜 光纤油膏填充机 图5-5-4 光纤束套塑生产工艺流程图 首先利用多头光纤放线机将多根光纤从放线盘上放出。放线系统配备有电子控制系统，对多根光纤进行同步控制。对于光纤放线架，要求在光纤高速放出时，放线张力稳定、可调、光纤不抖动。同时，由于光纤属脆性材料，一般需要较大地弯曲加工半径，故要求放线设备应具有较大直径导轮，而且可以精确地控制放线张力。常用放线专用设备有2种工作方式：主动放线和被动放线。早期的二次套塑设备中，大都采用主动放线，即光纤盘由伺服电机驱动放出光纤，并由？蹈轮进行放线张力控制。由于光纤在光纤盘上排列不可能非常整齐，光纤自光纤盘上放出时就不可避免地存在着不同程度的张力波动，会造成光纤在松套管中余长不均匀性。为解决这一问题，应采用光纤盘放出光纤后，再通过一对微型牵引轮放线，导引光纤，微型牵引轮的速度由？蹈轮通过设定的张力来调节，由于微型牵引轮的转速完全不受光纤在光纤盘排列状态的影响，其对光纤放线起到张力波动的隔离作用。经微型牵引轮放出的光纤张力极为稳定，从而可以确保光纤余长的均匀性。被动放线会使光纤在不同程度上受力，由于光纤强度较低，拉力过大，光纤可能被拉断，而拉力过小，光纤又会放不出来，所 SZ 绞 合 机 挤塑机 热水冷却槽 置偏牵引吹干机 冷水冷却槽 外径控制系统 副牵引 测径仪 张力控制收排线装置 塑料颗粒料

以现已很少使用。传统放线张力的控制主要有这样几方法：

a.用液压马达传动放线轴进行传动，用摆动的滑轮控制线的张力和调节油量，以改变放线速度；

b.采用高灵敏的电子电路控制马达传动，张力由一个储线器轮组进行控制，同时改变传动速度；

c．多头放线由马达传动，带重锤的平衡杆控制放线盘的张力和速度。滑轮压在走动的光纤上，当光纤放线张力过大时，光纤张紧，摆动杆升起，由于杆的另一端与电位计相联接，使电位调低，马达速度变慢，光纤张力减弱，从而调节了放线张力；当光纤放线张力过低时，摆动杆会下降，将电位调高，使马达速度增加。这样多次循环，就能保证放线张力适宜且放线均匀，结构如图5-5-5所示。

现代技术中，多头放线张力控制只有采用四象限（进、退、停、转换）张力控制放线设备才能胜任。此机采用直流伺服电机四象限控制原理，由大功率晶体管脉冲调制构成四象限控制，形成张力自动反馈的放线装置控制系统。该设备具有张力控制精度高、响应快、速度范围大、结构紧凑、轻巧、操作简单等特点。

图5-5-5多头放线结构原理图

放线张力控制设备是制造一管多芯松套光纤和中心管式光缆的关键工艺设备，而放线张力的大小和精度的选择直接关系到光缆的质量。一方面放线张力的选择影响光纤余长的形成，同等情况下放线张力越大光纤余长越小，放线张力如过小则不利光纤余长的稳定，反之则光纤余长就长，会增加光纤的衰损。根据选用设备情况，设备精良可以减小放线张力的设定；另一方面光纤放线的过程也是对光纤进行张力筛选的过程，为了尽量减少对光纤的损伤，一般认为放线张力应是筛选张力的10％左右。ITU-T将光纤筛选应力规定为4个等级：0.35Gpa，0.69Gpa，0.86Gpa，1.38Gpa，目前推荐使用的光纤筛选应力为0.69Gpa。 根据不同设备的具体情况和光纤余长要求，应设定不同的放线张力，一般应保证在30～120g范围内，过大将影响光纤传输性能和使用寿命。此外，在光纤放线架上应加装除静电装置，因为多根光纤高速放出进入填充油膏装置时位置十分贴近，会产生静电造成光纤的抖动，影响光纤余长的均匀性，除静电装置的使用可有效地解决这一问题，并能去除光纤表面附着的灰尘，杂质。

光纤经放线装置放出后，进入SZ绞合机，通过两级穿纤孔。第一级穿纤孔固定位置，第二级穿纤孔以均匀的速度向左右两向交替旋转一定角度，使光纤束形成一定绞合节距进入套管，光纤余长随着绞合节距的增加而降低，。根据两级穿纤孔的距离设置相应的旋转角度，距离较大时，旋转圈数较多；距离较小时，旋转圈数少。光纤SZ绞合机的主要作用在于使套管中每根光纤具有一致余长，其本身对光纤余长大小影响不是很大。

光纤经SZ绞合后，进入填充阻水油膏装置，光纤穿入油膏，针管与油膏一起进入松套管。通常情况下，填充油膏在生产、运输及填充过程中会有气泡产生，这给光纤成缆后的产品质量造成很大的影响。由于气泡的存在，首先会导致松套管外径不均匀，其次空气的存在会影响油膏的填充度。因此阻水油膏在填充前必须进行除气处理，最大限度地保证松套管与光纤间隙内注满油膏。目前油膏除气一般采用两种方式：过滤真空分离式和离心真空分离式。

过滤真空分离式除气是对油膏施加一定压力，通过微孔金属过滤网或采用挤压轧辊过滤使气泡分离，经真空泵排出。离心真空分离式除气是利用离心机实现油气分离，由真空泵排出气泡，后一种方法输出油膏除气效果好，密度、精度均匀，具有一定稳压能力。 去除气泡的阻水油膏与光纤一起进入油膏针管，填充入挤出松套管内，在此油膏填充模具的设计和选用至关重要，松套管中油膏填充质量最终由油膏填充模具决定。所以应合理设计挤塑机的内模芯内径与油膏针管的间隙距离，并根据松套管内径，光纤根数调整油膏的输

出位置。同时，充油针管在挤塑机中的位置也是关键的控制因素。

光纤经油膏填充进入挤塑机。一般情况下，光纤光缆生产厂家选择单层挤套塑工艺，由于光纤束松套管外径较小，一般为3.0mm左右，所以可使用θ45mm挤塑机，而对中心管式光缆的束管则应根据管内光纤的不同，选择不同的挤出模具尺寸，得到不同的束管外径。采用聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT为松套管材料。PBT颗粒料，经送料装置送入挤出机的进料口，使其在螺杆的作用下进入挤塑机内部并在加热区熔化，在挤塑机熔融挤出区出口模挤出并在出口模和余长牵引之间完成套塑，形成束管。挤塑机熔融加工温度在250-270oC。作为PBT塑料的松套挤出机，通常应使用高效均匀又不产生过渡剪切效应的螺杆为宜。挤塑机螺杆的长径比从24：1到30：1。长径比太大，高温下的PBT料在加热区滞留时间太长，会产生分子链断裂的降解现象，严重时将导致挤出的束管变成脆性物体。

PBT料的选择与处理对最终产品质量有着较大的影响。要求PBT具有良好的可加工性、耐水解、柔韧性好、易切割。在生产中，首先是对PBT进行干燥处理，通常情况下，PBT料进入挤塑机前必须在100oC左右温度下干燥3小时以上，使水分充分去除。PBT的粘度，此项指标对PBT加工工艺有非常大的影响，粘度高使流动性减弱，生产线速度不能提高，造成成形困难，对挤出螺杆要求较高。PBT的热稳定性，此项指标决定了PBT的在线加工能力，PBT料在挤塑机内高温滞留时间过长 ，将发生降解、熔体破裂，产生焦料，焦料的出现会形成套管内包块存在，严重时造成套管断裂。影响此项指标的是挤出机温度，特别是机头温度，如法兰区温度、模具出料区温度，一般加工温度设定在250oC，温度的设定主要考虑这样几个因素：PBT材料特点、生产线速度、套管规格、模具的配置。PBT料拉伸比，PBT管自模具出口挤出，遇空气迅速冷却，进入热水槽，此过程中，PBT料从熔融态温度迅速下降，PBT温度高于其玻璃化温度，PBT聚合物的大分子链已不能运动，但链段还能活动，在外力作用下能产生较大形变，在此成形过程中，PBT料从没有取向的熔融状态，沿牵引方向拉伸到原长度的若干倍，从而形成束管的拉伸比。此时拉伸比DDR可由下式计算：

DDR=（DD2-DT2）/(D02-Dj2) (5-5-2) 式中：DD-模套内径；DT-模套外径；D0-套管外径；Dj-套管内径。

PBT套管挤出后进入冷却水槽进行冷却。套塑后的水冷，一般采用梯度冷却方式。第一节冷却水槽冷却水温较高，要根据形成光纤余长的需要设置，同时应使水温接近PBT材料的结晶温度40～60oC,使PBT形成较稳定的结晶。一般在45～75oC,最佳为60oC。此外，应严格控制水温的偏差，偏差范围在±2oC内。由于自挤塑机出来的PBT熔融体的温度较高，会引起冷却水槽温度的升高，必须注意冷却水循环的控制。

套管经过第一冷却水槽后，已形成较为稳定的结构，通过主牵引轮形成负余长,牵引轮对套塑余长形成起主要作用。牵引轮的圈数、直径尺寸均会对光纤余长的大小产生一定的影响，牵引轮与套管的接触面应耐磨损，并有一定的摩擦力存在。牵引方式的不同对形成光纤余长也有较大影响。

套管经过牵引轮后进入第二水槽，这节水槽温度较低，一般设置在10℃～20℃左右的温度范围内。套管经此槽水冷时，应充分冷却，使套管结构稳定。然后用吹干机将水分燥干，使进入收线的套管不但充分冷却而且无水分。在生产中应注意吹干机模具和气流的控制，根据不同规格套管外径调节吹干模具尺寸，对气流的选择应在保证吹干的前提下，保持套管平稳不抖动，这里要特别注意吹干模具与气流的配合。因为套管外径测量一般在吹干之后，为保证套管外径测量的准确性应注意保持套管的位置稳定。在此阶段光纤形成正余长。

充分冷却、干燥的套塑管通过张力测量装置及覆带牵引进入收线装置，覆带牵引压力的设置应既不对套管外形造成影响又不使套管打滑。生产时要注意观察皮带的磨损情况，对于收排线装置的要求是排线平整无压线及抛线现象，收线张力的设置不宜过大。

2)光纤带二次套塑工艺

光纤成带是为了提高光缆中光纤的密集度而发展起来的产品，而光纤带的二次套塑是光纤成缆工艺技术的最关键的工序。其生产线工艺流程如图5-5-6所示。光纤带在一定张力下由放线装置放出，对于光纤带束管，光纤带有二种放线方式：叠带平行进入束管和叠带螺旋绞合进入束管。经挤塑机机头挤制PBT束管，管内充有阻水油膏，经热水槽冷却成型后，由轮式牵引轮牵引到所需的束管外径，将束管在牵引轮上緾绕几圈，然后进入冷水槽。由于光纤带本身具有一定的张力，因此，束管中的光纤带会靠向牵引轮的内侧，此时，光纤带的緾绕直径Φ1必然会少于束管中心线的緾绕直径ΦT，而形成负余长：

ε=（Φf-ΦT）/ΦTX100% （5-5-3） 式中：D2—常数，由牵引轮直径和束管外径决定；

D1-变量，主要取决于光纤带的放带张力和束管内阻水油膏的粘度。

图5-5-6光纤带二次套塑工艺流程图

光纤带的放线张力愈大，光纤带拉得愈紧，光纤带在束管内的位置靠向内侧就愈甚，形成的负余长愈大。反之？然。所以，光纤带的放线张力愈大，成品松套管的正余长愈小，放线张力愈小，正余长愈大。

松套管进入冷水槽后，由于温差的作用，会发生收缩，这不仅补偿了光纤带的负余长，并得到所需要的正余长。冷收缩得到的正余长值取决于冷热水的温差、PBT材料及光纤的线膨胀系数。

松套管离开冷水槽后，进入三轮张力控制器，三轮组张力控制器包含两个定位轮和一个张力轮，张力轮与一个张力传感器相连，张力传感器的作用是检测松套管在线张力，控制主牵引速度。主牵引的牵引张力非常低，使松套管得到充分的热松弛，松套管离开主牵引到收线盘时，基本上已没有内应力，从而得到一个稳定的具有正余长的光纤带松套管。 光纤带套塑工艺中光纤带余长控制是关键。引起光纤带余长变化的主要因素是放线张力，光纤带平行进入束管时放线张力的影响容易控制，当以螺旋方式进入束管时，由于光纤带绞体绞合旋转方式的影响，该如何保持放线张力的恒定、如何进行放线张力的测量与控制是最关键的。中国电子科技集团公司第八研究所赖继红女士提出了这样一种设计方案并在生产实际中得到验证，效果很好。其设计采用张力传感器、PLC及工业控制计算机联合技术来控制放线张力，实现张力在线调节、主屏显示的功能。

采用12只光纤张力传感器同步控制。光纤带绞体对传感器的要求很高，首先，要求光纤张力传感器抗干扰能力强，12只光纤张力传感器同步工作时，要互不干扰；其次，受力方向要单一，在生产过程中，各放线头要随着绞体转动，安装在绞体上的张力传感器的运动状况较复杂，在此过程中，为了保证光纤带能恒张力放出，传感器必须只对光纤带受力方向的张力做出反应，而对其他任何方向的干扰力应作最大限度的屏蔽；第三，传感器应有较大的过载系数，过载系数大的传感器能承受较大的载荷而不损坏，在生产过程中，可避免因瞬时过载造成传感器损坏。一般选用MCL-T3型高精度张力传感器，其量程从0—20N，标准信号输出4-20mA，过载能力达到30N。

5.5.3.2.松套工艺主要控制参数 1）光纤传输性能

光纤光缆制造中的每一道工序都应该尽量减少光纤的附加损耗，应尽量保持光纤原有的传输特性。由于套塑为中间环节，光纤在入厂时已进行了全面、系统检验，而且在出厂时还会进行全面的质量检验，所以在套塑时一般只考察衰减一项指标参数。

2）套管的几何尺寸

包括：外径、内径、同心度、壁厚、不圆度。套管表面要求光洁、平整、无包块。2-12芯套管外径一般在1.8～3.0mm，根据不同的芯数确定外径。一定芯数情况下外径越大，套管与光纤间隙越大，无疑会有良好的物理、机械性能，但原料耗用也会相应增加，应根据光

缆的结构及使用情况，在保证光缆的性能的前提下，尽量缩小外径。对外径为1.8～3.0mm的套管，其壁厚一般控制在0.3～0.5mm范围，在保证套管机械强度的情况下，应尽量减少壁厚以保证套管与光纤的间隙。套管壁厚应均匀一致。对于多芯（n﹥48）时，可采用光纤带套塑工艺。

3）光纤余长 光纤余长大小的确定是套塑工艺控制的关键。那么，在制造工艺中如何得到光纤余长的设计值那?在不同的光缆结构中，要求光纤或光纤带在束管中有不同的余长值。光纤余长在工艺上的形成一般有两种方法：热松弛法，又称温差法和弹性拉伸法。

热松弛法：其实质是利用冷却水温与材料玻璃化温度的差异，使材料产生收缩变化得到光纤余长的一种方法。如图5-5-9所示，光纤或光纤带从光纤放线盘上放出，经挤压机机头挤上PBT塑料束管，并在束管中充以油膏，由余长牵引轮进行牵引，光纤或带纤在轮式余长牵引轮上得到锁定。光纤或带纤在余长牵引轮上会形成一定的负余长。束管在热水槽和余长牵引轮区间，PBT束管温度在45~75℃之间，其高于PBT材料的玻璃化温度（40～45℃），基本上不会产生收缩，不产生余长。进入冷却水槽后（14～20℃），PBT会产生较大的收缩，这一收缩不仅补偿了其在余长牵引轮上的负余长，而且得到了所需的正余长。此时，要求主牵引的牵引张力很低，使束管得到充分的热松弛。松套光纤二次套塑用材料多为PBT材料，这种材料是一种半结晶高分子材料，它的熔化温度在230℃左右，玻璃化温度在40℃---45℃之间，通常在束管制成时，还不能充分结晶而达到其结晶平衡度。在二次套塑束管成形后一段时间内，束管还会继续缓慢地结晶，以其达到其结晶平衡度，从而造成束管挤塑后收缩，使束管在长度方向进一步缩短，光纤或带纤在束管中的余长增加。为减少束管挤出后的收缩，必须提高PBT塑料在束管成型过程中的结晶度。由于塑料的结晶主要发生在高于玻璃化温度区，所以采用热水（45℃—75℃）和冷水（14℃---20℃）结合式梯度冷却的方法使套朔管冷却，有利于束管材料本身的结晶，热水槽水温愈高，束管成形过程中结晶度愈高，挤塑后收缩愈小。

主牵引的线速度低于余长牵引轮的线速度，其速度差的调整和确定既决定了所的余长值，这样得到的具有光纤正余长的束管在离开主牵引到收线盘时，基本上没有内应力，从而得到一个稳定地光纤束管和设计的光纤正余长值。

图5-5-9热松弛过程 图5-5-10弹性拉伸法

弹性拉伸法：图5-5-10所示，其实质是利用外界的作用力，阻止因冷却水温与材料玻璃化温度的差异使PBT材料收缩，得到光纤的正余长的一种方法。光纤或带纤经挤塑机头，挤上PBT束管并充以油膏，束管经热水槽成型后，通过覆带式余长牵引轮进入冷水槽，在双轮式主牵引论上，光纤和束管锁定，主牵引的牵引张力足够大，使PBT束管在冷却槽中不仅不能产生冷收缩，反而受到拉伸而伸长，其为PBT材料玻璃化温度以下的弹性变形。这时，在束管中积聚更长的光纤，因为在覆带式余长牵引上，束管中的光纤未锁定，光纤可在束管中滑行（单牵引式），当PBT束管离开主牵引轮后，高张力消失，PBT束管弹性恢复，长度缩短，从而使管内的光纤或带纤得到所需的余长。此时，收线盘的张力应适当选定，并保持稳定，使束管在收线盘上不致残留较大的内应力。从而得到稳定的束管和设计光纤余长值。 综上分析，当采用以热松弛为主要机理形成光纤余长时，二次套塑生产线的最佳配置为:轮式余长牵引与覆带式主牵引的组合；而当用弹性拉伸为主要机理来形成余长，二次套塑生产线的最佳配置为：覆带式余长牵引与双轮主牵引的组合，而后者的余长值可做的比前者大。

影响光纤余长形成的主要因素及可调因素的选定 在光纤松套套塑工艺中影响光纤余长的因素有很多，其中有些因素可作为调节光纤余长的工艺手段，而有些因素虽然影响光纤余长的值，但却不宜作为光纤余长的调节手段。影响松套管中光纤余长的主要因素有七：

①放纤张力；②前后段冷却水槽水温温差；③阻水油膏充入工艺的影响；④生产线速度及速度差的影响；⑤牵引轮直径与緾绕圈数；（6）绞合节距的影响；（7）松套管材料和油膏材料的影响。 在上述各影响因素中，可作为生产时调节光纤余长的因素有只有温度差、速度差、和牵引张力大小，在实际生产中，只调节其中之一即可。 ①放纤张力影响 光纤自放线盘上以一定的张力放出，设放线张力为FC，光纤的杨氏模量为E=7×106g/mm2，光纤束或光纤带的等效半径df＝1.16n× d ，若n＝12 ，d＝252μm，那么在放线张力的作用下，光纤将产生拉伸应变： 根据虎克定律得：Fc???S?E?c?S 光纤伸长量：ΔεC=FC/ESζ （5-5-4） 光纤余长：εC={(Lf-LT)/LT}X1000%0={ΔεC/LT}X1000%0 由于光纤有一定的张应力作用，因此在牵引轮上，松套管中的光纤必须靠向轮的内侧，因此光纤的缠绕直径Φf必然小于松套管的缠绕值ΦT，二者之差即为牵引轮产生的负余长： ?T?(Lf?LT)/LT?100%?(?f??T)/?T?100%?0 （5-5-5） 分析可知，显然ΦT为常数，它等于牵引轮直径和束管外径的和，而Φf的大小，则取决于光纤放线张力以及填充在管内的光纤油膏的粘度。光纤放线张力越大，光纤被拉的越紧，光纤在松套内靠向内侧愈甚，产生的负余长愈大。因此，光纤放线张力愈大，松套管成型后的正余长愈小，张力愈小，正余长愈大，由此可见，通过调整光纤放线张力的大小可以调节光纤余长，这是最有效的调节工艺参数之一。 ②冷却水温差对光纤余长的影响 松套管在热水槽和光纤余长牵引轮区的温度为45～75oC之间，进入冷却水槽后，水温在14～20oC之间，由于温差作用，使光纤松套塑料管遇冷收缩，从而产生正余长。设冷热水温差为ΔT。光纤的热膨胀系数为αf， PBT管材料的热膨胀系数为αT,则产生的光纤正余长为： ????T??Lf??LT?LTfX100% （5-5-6）??????T?(Tw?Tc)?T??TC?TW???f??T/(Tw?Tc)?T???T??f(t)0??100%?0T（5-5-7） 式中：Tw—热水槽温度； Tc—冷水槽温度。 通常情况下，光纤的热膨系数可认为是一个常数的，而PBT材料的热胀系数随温度的变而改变，如图5-5-11所示。由两种典型的PBT材料热胀系数与温度的关系曲线可知，在几十摄氏度的冷热水温差变化范围（14～75oC）中，PBT塑料的热胀系数变化是非线性的，因此，冷热水温的调节可作为正余长控制的最主要的手段。 图5-5-11两种典型PBT材料热胀系数与温度关系曲线 ③双牵引生产线速度的影响 在双牵引式生产方式中，由于光纤、松套管同时被覆带牵引，而主牵引轮只牵引松套管，

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