CN101726814A - 铠装光纤组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了包括电介质铠装的铠装光纤组件及其制造方法。电介质铠装具有铠装造型，从而对技术工人而言与传统金属铠装光缆类似。电介质铠装对其中的光纤和/或光纤组件提供另外的抗压碎性和抗冲击性。电介质铠装对技术工人有利，因为其提供所希望的机械性能而不需要传统金属铠装光缆情形下的接地时间和费用。另外，本发明铠装光纤组件可具有任何适当的燃烧和/或烟雾等级以满足预定空间的要求。

Description

铠装光纤组件及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及光纤组件，尤其涉及具有电介质铠装的铠装光纤组件及其制造方法。
背景技术
传统光缆包括传导用于传输话音、视频和/或数据的光的光纤。光缆的构造应在光缆部署在预定环境中时保持光学性能同时满足该环境的其它另外的要求。例如，用于立管和/或风道空间的室内光缆可能要求某些阻燃等级以满足该空间的需要。换言之，这些阻燃等级是该空间的机械要求或所希望特征之外的附加要求。机械要求或特征如压碎性能、可允许弯曲半径、温度性能等用以在前述空间内安装和/或运行期间防止不合需要的光学衰减或性能削弱。除了所提及的要求之外，立管和/或风道空间可能要求耐震设计以满足该空间的需要。
作为例子，一些室内应用在立管和/或风道空间中使用布置在铠装层内的光缆以提供改进的压碎性能。例如，传统铠装结构使光缆位于金属互锁铠装内以产生结实的结构。具体地，一种众所周知类型的金属互锁铠装为“BX铠装”或“AC类型”光缆。该金属铠装螺旋卷绕在光缆周围使得铠装的相邻缠绕圈的边缘机械上互锁，从而形成结实的铠装层，该铠装层也用作光纤组件的弯曲限制特征。然而，该传统互锁铠装结构有一些缺点。例如，具有金属铠装的光缆需要另外的硬件和/或安装程序来使金属铠装接地以满足安全标准，从而使安装耗时且成本高。
图1示出了互锁铠装光缆10的几个现有技术例子，其具有金属铠装层12(通常为铝)，该铠装层用于保护和保持其中的光缆14的光学性能。由于金属铠装层12导电，其必须接地以符合国家电气代码(NFPA 120)安全标准。这增加了安装金属铠装光缆的复杂性和费用。另外，金属铠装可能塑性变形(即永久变形)，这可夹挤光缆并导致光学衰减水平升高。不过，市场和技术工人仍喜欢该坚固成缆的设计和处理。
制造商已试图设计电介质铠装光缆以克服传统金属铠装构造的缺陷，但到目前为止尚缺乏商用解决方案。例如，美国专利7,064,276公开了具有两层合成树脂层的电介质铠装光缆，其中硬树脂层具有沿铠装的长度完全切穿硬树脂层的连续螺旋形槽。硬树脂层通过使螺旋形槽的邻接边缘部分在所希望的最小弯曲半径处邻接而进行弯曲控制。然而，本领域技术人员承认该设计不能向技术工人提供所有所希望的特征。此外，当‘276专利的铠装光缆分层时技术工人很难认出该光缆，因为其具有光滑的外表面，而传统金属铠装光缆可容易地由技术工人识别，如图1所示。
因此，本领域需要具有超级机械性质的铠装光缆，其不需要如同金属互锁铠装那样接地，而是与金属互锁铠装光缆类似同时提供鲁棒性特征。
发明内容
本发明涉及具有电介质铠装的铠装光缆组件及其制造方法。电介质铠装可具有铠装造型，从而对技术工人而言与传统金属铠装光缆类似。此外，电介质铠装向其中的光纤和/或光纤组件提供另外的抗压碎性和抗冲击性。电介质铠装对技术工人也是有利的，因为其提供合乎需要的机械性能，而不需要传统金属铠装光缆时的接地时间和费用。另外，铠装光纤组件可具有任何适当的燃烧和/或烟雾等级以满足预定空间的要求；然而，这些组件可具有室外应用或室内/室外应用。
应当理解，前面的概括描述和下面的详细描述均呈现本发明的实施方式，且意于提供用于理解本发明的实质和特征的概览或框架。包括附图以提供对本发明的进一步理解，且其构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的多个实施例，连同在此进行的描述一起用于阐释本发明的原理及其运行。
附图说明
图1为三个不同现有技术互锁铠装光缆的立体图，并示出了金属互锁铠装层的特有螺旋形状。
图2A为根据本发明的具有电介质铠装的铠装光纤组件的第一实施例的侧剖图。
图2B为根据本发明的具有电介质铠装的铠装光纤组件的第二实施例的侧剖图。
图3A为图2A的铠装光纤组件沿线3A-3A的截面图。
图3B为图2B的铠装光纤组件沿线3B-3B的截面图。
图3C为与图3A和3B类似的截面图，但一般地图示了光纤组件位于电介质铠装内，以表明光纤组件的半径RC和电介质铠装的内径RI。
图4为铠装光纤组件按弯曲半径成形(即环)的实施例的示意图。
图5A为放大立体图及图5B为图2A的铠装光纤组件的特写图，其示出了电介质铠装的部分纵向截面，该截面叠加在网格上以表明各层的形状。
图6A为图5B的电介质铠装的一部分的放大图，进一步示出了与其相关的各个尺寸。
图6B为一般铠装造型的一部分的放大立体图，示出了用于电介质铠装的有限元建模的几何结构。
图7为适于用作电介质铠装的一部分的两种不同的代表性刚性材料和代表性非刚性材料的真应力(Pa)对真应变(％)曲线图。
图8A为针对图7的真应力-真应变曲线图中所示的非刚性材料，在两个不同的最小应变水平通过有限元建模确定的设计参数表。
图8B-8E分别提出了针对图7的真应力-真应变曲线图中所示的两种不同刚性材料，在不同的最小应变水平通过有限元建模确定的设计参数表。
图9A和9B为图8A中的数据的曲线图，在同一图上示出了具有两种不同最小应变水平的非刚性材料的电介质铠装带厚度(T1)对槽长-节距比(2L2/P)。
图9C和9D为图8B和8C中的数据的曲线图，在相应图上示出了具有两种不同应变水平的第一刚性材料的电介质铠装带厚度(T1)对槽长-节距比(2L2/P)。
图9E和9F为图8D和8E中的数据的曲线图，在相应图上示出了具有两种不同应变水平的第二刚性材料的电介质铠装带厚度(T1)对槽长-节距比(2L2/P)。
图10A为具有内层和外层的铠装光纤组件的另一实施例的立体图。
图10B为铠装光纤组件的又一实施例的立体图。
图10C为图10B的铠装光纤组件的又一实施例的电介质铠装的内层的立体图。
图10D为铠装光纤组件的再一实施例的立体图。
图11为用于制造电介质铠装的示例性挤压成形系统的示意图。
图12为图11的挤压成形系统的十字头挤压机的示意性截面图。
图13为形成电介质铠装的另一方法的示意性侧视图。
图14为十字头挤压机的另一示例性实施例的局部截面图，其中压型部件在十字头挤压机模具内。
图15为示例性挤压成形系统的侧视图，其中压型部件位于十字头挤压机的外部并将造型压印在电介质铠装内。
图16为用于将铠装造型压印在电介质铠装内的示例性滚筒型变形件的立体图。
图17为使用两个滚筒型变形件将铠装造型压印在电介质铠装内的正视图。
具体实施方式
现在将详细提及本发明目前优选的实施方式，其例子在附图中示出。只要可行，相同或类似的附图标记在所有附图中将用于指相同或类似的部分。应当理解，在此公开的实施方式仅是一些例子，每一实施例包含本发明的某些优点。在本发明范围内可对下面的实施例进行各种修改和变化，及不同实施例的各方面可按不同方式混合以获得其它实施例。因此，本发明的真实范围将考虑在此描述的实施方式从发明整体进行理解，而非限于在此描述的实施方式。
图2A和2B示出了两个不同的铠装光纤组件20的侧剖图，其中至少一光纤40位于电介质铠装120内。电介质铠装120不传导且具有包括铠装造型(未标号)的外表面(未标号)，及在该实施方式中一般按螺旋形方式沿纵轴形成。如在此使用的，铠装造型意为沿其长度具有看上去与传统金属铠装相似的波浪形表面(即沿铠装长度的波浪形状)。电介质铠装120包括一层或多层，如内层72和外层74，但其它构造也是可能的。例如，电介质铠装120可由单层如内层72组成。优选地，内层72为刚性材料，及外层74为非刚性材料；然而，也可使用非刚性材料作为内层72及使用刚性材料作为外层74。如在此使用的，“刚性材料”意为肖氏D硬度为约65或更大的材料，及“非刚性材料”意为肖氏D硬度为约60或更小的材料。电介质铠装120是有利的，因为其提供抗压碎性，满足所希望的燃烧或烟雾等级，和/或其它所希望的特征，但不需要如传统金属铠装那样接地。例如，铠装光缆在如下所述的抗压碎测试期间可具有3.3毫米或更小的径向挠曲。
图2A示出了具有多层的电介质铠装120，铠装造型实质上形成在内层72(即刚性层)中，及外层74(即非刚性材料)在内层72上具有实质上均匀的厚度。电介质铠装120的另一实施例通过去除外层74进行构造。如图所示，光纤组件30位于电介质铠装120内。在该实施例中，光纤组件30为包括光缆护套的光缆。然而，其它实施例的光纤组件可具有其它构造和/或结构如去除光缆护套的组件。作为例子，光纤组件可以是扭绞管缆、单管缆、微模块光缆、开槽纤芯光缆、松散光纤、管组件等。另外，光纤组件可包括任何适当的构件如阻水或遇水膨胀构件、阻燃构件如带子、涂层、或其它适当的构件。具体地，图2A的光纤组件30包括中央加强件和光缆护套，其中多根紧密缓冲的光纤扭绞在中央加强件周围。任何光纤组件30可具有任何适当的光纤数量如可从北卡罗来纳州Hickory的康宁光缆系统公司购得的6光纤MIC光缆或24光纤MIC光缆。
图2B示出了另一多层电介质铠装120，铠装造型实质上在外层74(即非刚性材料)中，内层72(即刚性材料)在外层74下面具有实质上均匀的厚度。图2B的光纤组件30包括位于管32中的多根光纤带56，从而形成组件。在图2A和图2B的实施例中，内层72均具有“连续环形截面”。如在此使用的，“连续环形截面”意为没有完全贯穿内层的螺旋形槽、开口或缝。另外，图2A和图2B实施例的外层74由非刚性材料形成。使用非刚性材料作为外层因几个原因是有利的，如可对组件提供冲击保护和/或使能选择具有低烟特性或阻燃性质的材料。
本领域技术人员将意识到，用本发明的铠装光纤组件极难满足所希望的机械特性、低烟特性和/或阻燃特性。该困难对于NFPA262风道级光纤组件尤为真实。简言之，铠装光纤组件的聚合物提供相当大的可燃块，从而使很难既满足机械要求又满足燃烧/烟雾要求。有利的是，铠装光纤组件的某些实施例可同时满足机械和燃烧/烟雾要求如立管级和/或风道级光纤组件。当然，在此公开的组件可具有室外或室内/室外应用。
图3A和3B分别示出了图2A和2B的铠装光纤组件20分别沿线3A-3A和3B-3B的截面图。为图示简单的目的，电介质铠装120被示为具有均匀的截面，不反映铠装的螺旋形造型。如图所示，铠装组件20可包括位于光纤组件外表面30和电介质铠装内表面之间的自由空间90。图3C一般性图示具有外径RC的铠装光纤组件20及具有内径RI的电介质铠装120。自由空间90的量由光纤组件的外表面30和电介质铠装120的内表面之间的间隔ΔR表示，其中ΔR＝RI-RC。在结构中包括自由空间90有助于在压碎事件等期间保持光学性能，如下所述。作为例子，自由空间90通常为约2毫米或更小，但自由空间的值也可大于2毫米。
如果计划用于室内使用，实施例优选为阻燃实施例并具有随预计使用空间而定的所希望阻燃等级，如风道级、立管级、通用、低烟无卤(LSZH)等。例如，适合电介质铠装120各层的材料可从下述材料中进行选择以符合所希望的等级：聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、阻燃聚乙烯(FRPE)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、纤维增强聚合物(FRP)、低烟无卤(LSZH)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETE)、及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。技术人员能理解，许多设计因素可影响燃烧等级及找到满足给定等级的适当设计和/或材料极富挑战性。与图2A类似的立管级的铠装光纤组件的一个例子包括由可从Teknor Apex按商品名8015购得的PVC形成的内层72及由可从AlphaGary按商品名1070L购得的风道级PVC护套材料形成的外层74。另外，该PVC/PVC组合不仅导致所希望的阻燃等级，而且还满足所希望的机械鲁棒性。当然，也可使用其它适当的材料组合。
除燃烧等级或烟雾等级之外，感兴趣的机械特性包括最小弯曲半径、抗冲击性、抗压碎性、电介质铠装的耐久性、易塑性变形性等。材料特性如硬度、模量等连同几何结构可影响铠装光纤组件的特性/光学性能。例如，内层和/或外层应具有适当的弹性模量。作为例子，对于刚性材料，在1％应变时的弹性模量为约1200MPa或更大；及对于非刚性材料，在1％应变时的弹性模量在约300MPa和约1200MPa之间。当然，这些仅为示例性的例子，其它弹性模量值也可与在此公开的概念结合使用。
由电介质铠装提供的一个机械性质为其抗压碎能力(即抗压碎性)。确定抗压碎性数量的一个测试在10厘米长的铠装光纤组件上施加300牛顿/厘米的载荷(即总载荷为3000牛顿)10分钟，在负荷下测量径向挠曲。基于光学性能的压碎测试由ICEA596压碎标准给出，其施加300牛顿/厘米的载荷10分钟然后在负荷下测量光纤的衰减量。ICEA596压碎标准要求多模(MM)光纤在基准波长为1300nm时的最大衰减量小于0.60dB，及单模(SM)光纤在基准波长为1550nm时的最大衰减量为0.40dB或更小。铠装光纤组件20根据ICEA596压碎标准及在此所述的其它性能测试进行测试。另外，在此公开的组件可符合其它标准如GR409等。
具体地，对与图2A类似的MM光纤版的铠装光纤组件进行机械测试，光纤组件30具有24光纤的MIC光缆，其它实施例具有6光纤的MIC光缆。之所以对MM版进行测试，是因为它们相较SM版对光学衰减更敏感且是更好的光学性能指示器。MM版的测试在两个不同基准波长进行。另外，用于两种不同结构(24光纤和6光纤)的电介质铠装120具有不同的几何结构，如下所述及如图5B中详示。例如，24光纤MIC光缆实施例的内层铠装造型具有10±1毫米的平均节距、1±0.2毫米的平均筋蹼厚度及1.6±0.2毫米的平均带厚度。6光纤MIC光缆实施例的内层铠装造型具有10±1毫米的平均节距、0.8±0.2毫米的平均筋蹼厚度及1.3±0.2毫米的平均带厚度。
电介质铠装提供优越的压碎性能。具体地，表A列出了两个不同版本在ICEA596压碎标准下及3500牛顿和4000牛顿的升高压碎载荷下的类似测试的结果。表A列出了对于每一压碎载荷在1300纳米(第一)和850纳米(第二)时的光学衰减量结果。
表A：压碎性能测试
光纤组件   3000牛顿(1300nm/850nm)   3500牛顿(1300nm/850nm)   4000牛顿(1300nm/850nm)
  具有6光纤MIC光缆的组件 0.14dB/0.12dB 0.09dB/0.08dB 0.24dB/0.16dB
  具有24光纤MIC光缆的组件 0.06dB/0.05dB 0.05dB/0.05dB ----
如表中所示，所测试的铠装光纤组件的压碎性能结果远低于ICEA596压碎标准下的结果。对于两种MM光纤数量，在1300nm和3000牛顿时的测试结果均为0.20dB或更小，这是ICEA596压碎标准的通过值的三分之一(通过值为0.60dB或更小)。此外，载荷增加到4000牛顿时，测试结果仍然低于3000牛顿时的通过值的一半。另外，未对SM铠装光纤组件的值进行测试，但在1300nm和3000牛顿时应具有约0.20dB或更小的衰减量，因为它们比MM光纤更不敏感。
铠装光纤组件的另一机械性质为它们的挠性(例如，在不损坏和/或导致衰减水平升高的情况下的弯曲能力)。总的来说，在不扭折、开裂、分裂和/或导致光学衰减升高的情况下铠装组件可经受的最大弯曲量由其最小弯曲半径表征。图4示出了形成为弯曲半径RB的铠装光纤组件20的环94。换言之，当形成为图4所示的圈时，弯曲半径RB为从中心到组件内表面的距离。弯曲半径RB可与铠装光纤组件的其它尺寸和/或特性有关。例如，最小弯曲半径RB可与铠装光纤组件的最大外径(2倍于最大铠装光纤组件半径RT)有关。作为例子，如果铠装光纤组件20具有2RT的外径，则最小弯曲半径RB可以是外径2RT的多倍，如RB(min)≥10RT。当然，组件可具有比前述关系式提供的小的最小弯曲半径。
表B列出了上述铠装光纤组件在两个不同弯曲半径10RT和8RT时的光学衰减量结果。
表B：弯曲半径测试
光纤组件   10RT弯曲半径(1300nm/850nm)   8RT弯曲半径(1300nm/850nm)
 具有6光纤MIC光缆的组件   0.01dB/0.01dB   0.02dB/0.01dB
 具有24光纤MIC光缆的组件   0.04dB/0.05dB   ----
如表中所示，对于弯曲半径性能测试，具有6光纤MIC光缆的组件和具有24光纤MIC光缆的组件在弯曲半径为20RT时光学衰减量相当低。针对更小的弯曲半径16RT的数据未给出，因为在20RT时的值被稍微提高。因此，当相比于ICEA596标准时，所测试的组件在弯曲半径测试中表现极好。只要性能可接受，其它变化或实施例在弯曲期间可具有高得多的光学衰减水平如0.60dB或更小。
表C列出了上述铠装光纤组件的冲击测试的光学衰减量结果。冲击测试在1300nm和850nm的基准波长使用两个不同的质量2kg和6kg进行。对于每一组件，冲击测试包括三个分开位置(例如间隔开约150毫米)处的两次冲击，每一组件的冲击的最大衰减量在表C中列出。
表C：冲击测试
光纤组件   2kg(1300nm/850nm)   6kg(1300nm/850nm)
 具有6光纤MIC光缆的组件   0.00dB/0.00dB   0.00dB/0.01dB
 具有24光纤MIC光缆的组件   0.00dB/0.00dB   0.00dB/0.01dB
如表中所示，冲击测试的光学衰减量性能表明在任一质量下任一组件的光学衰减量均只有很少甚至没有。总的说来，所测试的铠装光纤组件被证实比得上传统金属铠装光缆组件或更好。
图5A为放大立体图，及图5B为图2A的铠装光纤组件的特写图，其示出了电介质铠装的部分纵向截面，该截面叠加在网格G上以表明各层的形状。铠装造型具有节距P(即大致重复的形状，以螺旋形方式沿纵轴形成铠装造型)，铠装造型包括筋蹼102和带110。铠装造型的几何结构在下面结合所进行的有限元建模详细描述。如图5B中所示，该实施例的铠装造型通常用内层72和外层74形成，内层72具有沿纵轴按螺旋形形成的曲线造型，及外层74具有在内层72的曲线造型上形成的大致均匀的厚度。影响电介质铠装的机械性能的两个因素为铠装造型的几何结构和各层的材料特性。
图6A为图5B的电介质铠装的一部分的放大截面图叠加在网格G上的示图，其中示出了铠装造型的某些尺寸。如图所示，电介质铠装包括筋蹼102和带110。带110的内层72具有厚度T1，及内层72的筋蹼102具有厚度T2，如图所示。如网格G上所示，筋蹼厚度T2定义为T2＝T1-dO-di，其中外槽深dO为内层72的带和筋蹼之间的高度差，及内槽深di为内层72的带和筋蹼之间的高度差。此外，总槽深dO+di为外槽深dO和内槽深di的和。在该图示中，外层74具有厚度T3，其沿铠装造型的长度实质上均匀，但任一层或两层均可具有铠装造型。电介质铠装120具有内径RI和外径RI+T1。
图6B为电介质铠装的具有铠装造型的层的一部分的放大立体图，示出了用于有限元建模的一般几何结构/尺寸。图6B示出了成形为非常接近梯级造型的铠装造型，当选择适当的几何结构时其提供极好的机械特性。然而，在实践中，几乎很难以相当高的线速度将铠装造型制造为梯级造型，如图6B中所示。因此，所制造的具有铠装造型的电介质铠装具有按圆形、倾斜或类似方式成形的造型，如图6A中所示。
对图6B的模型进行有限元分析以模拟所制造的造型的形状，如图6A中所示的造型。使用有限元分析，发明人发现某些尺寸和/或关系可对铠装造型提供所希望的机械特性。图6B示出了铠装造型的半节距P/2(即，半节距P/2仅示出了筋蹼102的一部分及带110的一部分。铠装造型的半节距P/2具有由长度L1(即带的小部分)、长度LT(即带和筋蹼之间的过渡部分)和长度L2(即筋蹼的小部分)的和给出的长度)。另外，为简明起见，只模拟电介质铠装的具有铠装造型的层，因为其影响电介质铠装的主要机械特性。因此，在此筋蹼具有称为槽长2(L2)的长度，其为长度L2的两倍。
图7为具有表示两种不同类属的电介质材料的三条不同真应力(Pa)-真应变(％)曲线的图。具体地，如所标记的，第一和第二曲线代表不同的刚性材料，及第三曲线代表非刚性材料，刚性材料和非刚性材料在此定义并可采用在电介质铠装120中。具体地，第一刚性材料为可从Teknor Apex按商品名SRP 2009购得的PVC，第二刚性材料也是从Teknor Apex按8015系列购得的PVC，及非刚性材料是可从AlphaGary按商品名AG2052购得的阻燃PVC。刚性材料的例子为刚性热塑性塑料(如刚性PVC、CPVC、玻璃/纤维增强塑料等)，而非刚性材料的例子为柔软的热塑性塑料(如聚烯烃、PVC、PVDF、FRPE等)。如图所示，在刚性材料的曲线的拐点之后，在相应区域RG1或RG2出现负斜率或近零(即小的)正斜率。另一方面，非刚性材料的曲线没有类似于刚性材料的负斜率或近零斜率。
在或低于极限设计应变时在应力-应变曲线中展现具有负斜率或近零正斜率的区域如图7中的第一刚性材料的区域RG1的电介质材料需要特别注意以防止弯曲应变局部集中在铠装造型的筋蹼中。简言之，如果第一刚性材料工作在图7的区域RG1中(例如，5％到25％的应变区，因材料而异)，在弯曲期间将应变局限在筋蹼的一个位置处，这可导致筋蹼102不合需要地与带110分开。因此，应避免具有负斜率或近零正斜率的应变区域RG1。另一方面，在区域RG1的外面(即应变水平大大超过25％)，应变沿筋蹼更均匀地分布，从而防止带/筋蹼在弯曲期间分开。换言之，刚性材料的破坏应变应在区域RG1较远的一边(即该材料的破坏应变水平应超过25％)，从而在预定应用中防止不合需要的带/筋蹼分开。而没有区域RG1的材料如图7中所示的非刚性材料的破坏应变水平可允许更宽范围的破坏应变水平。
同样，由于与上述一样的原因，应避免第二刚性材料的区域RG2。然而，第二刚性材料在区域RG2较远的一边具有相当低的正斜率，使得大大超过区域RG2意味着需要高得多的应变水平以防止带/筋蹼分开。因此，不同的刚性材料为防止筋蹼-带分开需要不同的最小应变水平。作为例子，对于第二刚性材料，为阻止筋蹼-带分开，必须约80％的最小应变水平。
此外，对于在或接近区域RG1或RG2指示的破坏应变时在应力-应变曲线中展现具有近零正斜率或负斜率的区域的刚性材料，总槽深2(L2)应更大以防止铠装造型的筋蹼与带分开。因此，应选择材料特性及针对该材料特性的带/筋蹼几何结构以使铠装光纤组件具有所希望的性能(如压碎、弯曲、光学性能等)。
另外，图7的材料在1％应变时的弹性模量从真应力-真应变曲线进行确定。非刚性材料(AG2052)的弹性模量为约320MPa。而第一刚性材料(SRP 2009)的弹性模量为约1537MPa，第二刚性材料(8015)的弹性模量为约3088MPa，其约为第一刚性材料的值的两倍。
图8A示出了表1，该表给出第一建模材料(即非刚性材料AG2052)的设计窗口的按毫米计的示例性尺寸。具体地，表1列出了在铠装承载100％的负荷及最小设计应变为40％和80％时T1、T2、槽长、槽深及槽节距的示例性尺寸。换言之，为提供可接受的设计窗口性能，建模加载以电介质铠装承载所施加的3000牛顿压碎载荷的100％进行，其中挠曲为3毫米或更小。然而，根据几个因素如自由空间量、光纤组件的类型等，电介质铠装内的光纤组件可能承载部分压碎载荷。简言之，图8A-8F中表示的所有建模对极端情形进行建模，其中电介质铠装承载100％的压碎载荷和弯曲载荷。因此，部分铠装光缆设计可具有可接受的性能，但不会落在图9A-9F中所示曲线的设计窗口内，因为那些光纤组件承载一小部分压碎载荷。简言之，一些组件可能具有承载一部分载荷的电介质铠装，光纤组件承载一部分载荷，从而提供更大的设计窗口。同样，在弯曲期间，电介质铠装内的光纤组件影响弯曲性能，但这在有限元建模中并不考虑。用以说明，具有相对较长槽长和相对较大总槽深的电介质设计在承载100％载荷的建模中可能表现不好，但当连同适当的光纤组件构造时由于光纤组件承载小部分载荷而可具有可接受的性能。影响光纤组件和电介质铠装之间的载荷分担的一些参数包括自由空间、光纤组件的构造如护套厚度等。
最小设计应变为出现破坏时的最小真应变百分比(即极限应变)，这是所有建模的情形。例如，表1的第一数据栏列出具有80％或更大应变同时满足所希望的弯曲和压碎条件的铠装造型尺寸。所希望的弯曲条件允许弯曲半径RB为光纤组件的5个直径(即光纤组件的10个半径)而带/筋蹼不会分开，压碎条件具有0.6dB或更小的光学衰减。同样，表1中的下四个数据栏表示在应变为40％或更大同时满足同样的弯曲和压碎性能要求时导致破坏的各组铠装造型尺寸。以类似的方式，表1的其余栏列出在所指示应变水平时导致破坏的其它铠装造型尺寸组。另外，表1中建模的所有不同电介质铠装具有相同的、稍低于6毫米的内径RI。
使用表1(图8A)的数据，示例性非刚性材料的铠装造型的带厚度-尺寸比的曲线族被确定并在图9A和9B中绘出。具体地，图9A和9B示出了两种不同最小应变极限(即40％或更大的应变和80％或更大的应变)和三种不同总槽深(do+di)情形的六条带厚度T1-槽长2L2/节距P比(即(2L2)/P)曲线。如图所示，对于两种不同应变水平，曲线族基于0.5毫米、0.75毫米和1.0毫米的总槽深(do+di)进行绘制，这些曲线绘在同一图上以图示设计窗口的变化。或者，总槽深通过T1-T2进行计算，其等于do+di，如图6B中所示。此外，图9B为图9A的左下角的放大图，从而示出80％最小设计应变时的曲线的扩展设计窗口的细节。
不同曲线限制的相应区域表示在给定应变水平时给定总槽深的相应设计窗口。例如，粗实线曲线限制的区域表示应变为40％或更大及总槽深为1.0毫米。1.0毫米/40％最小应变曲线限制的区域之外的设计随着应变水平升高可能有问题和/或在弯曲期间出现破坏(带/筋蹼分开)等。例如，在槽深为1.0毫米和最小应变为40％时，3.1毫米带厚度和0.5的槽长/节距比的设计落在该限制区域之外并在压碎性能合格方面有问题。另一方面，当槽深为0.75毫米及最小应变为40％时，这些尺寸具有适当的压碎性能，因为其在图9A所示的0.75槽深曲线的范围内。简言之，对于相应曲线的给定加载和设计参数：(a)在曲线下面的点不满足所希望的压碎性能要求；(b)在曲线左边的点不满足所希望的弯曲性能要求；及(c)在曲线右边的点不满足所希望的审美外观(即槽相对于节距太长)。作为例子，适当的审美外观的槽长为节距的约20％到80％。
图9B中所示的放大图表明80％最小应变曲线的设计窗口比40％最小应变设计窗口的对应设计窗口(即相同总槽深)大。例如，如图9B的左下角所示，80％最小应变窗口向左边延伸得更远。因此，如图9A和9B中的表1的建模绘图所示，某些比和/或尺寸关系连同材料特性提供在弯曲等期间具有所希望性能的铠装造型。
图8B和8C分别示出了具有第一建模刚性材料即SRP 2009的设计窗口的按毫米计的示例性尺寸的表2和3。与表1类似，表2列出了最小应变为40％时的T1、T2、槽长、槽深及槽节距的示例性尺寸，及表3列出了最小应变为80％时的数据。与前面类似，表2和3的建模数据用于产生电介质铠装承载100％载荷时的建模设计窗口的曲线图。
具体地，图9C和9D与图9A类似，因为它们图示了在给定最小应变水平、给定总槽深(do+di)时的带厚度T1-槽长2L2/节距P比(即(2L2)/P)曲线。具体地，图9C示出了应变为40％或更大时的设计空间，图9D示出了应变为80％或更大时的设计空间。如图所示，图9C和9D表明，相比于非刚性材料(图9A和9B)，第一刚性材料(图9C和9D)的两种不同应变水平之间的设计空间差更明显。例如，在40％最小应变时，设计窗口对总槽深(dO+di)的变化更敏感。该明显的差是由于高强度材料在接近40％应变极限时应力-应变曲线为负斜率，如图7中所示。因此，当用在接近破坏应变时展现小的正斜率或负斜率(即应力应变曲线谷)的材料进行设计时，为满足弯曲要求(如不会出现带/筋蹼分开等)需要更大的槽长/节距比和厚度(T1)。
简言之，如果材料的应力-应变曲线中具有前述的谷部分(即应力-应变曲线中的小的正或负斜率部分，如图7中所示)，同时破坏应变明显大于谷处的应变水平，则可采用较小的槽/节距比和厚度T1。当电介质铠装弯曲时，应变初始集中在电介质铠装120的筋蹼102中。如果在达到破坏应变之前没有足够的应变硬化(即如果应力-应变曲线的谷区太靠近破坏应变)，则厚度为T2的筋蹼102将破坏和分离。
图8D和8E分别示出了具有第二建模刚性材料即8015系列的材料的设计窗口的按毫米计的示例性尺寸的表4和5。表4和5列出了最小应变为80％和110％时的T1、T2、槽长、槽深及槽节距的示例性尺寸。第二刚性材料需要更高的最小应变，因为区域RG2更大及真应力-真应变曲线相较第一刚性材料具有更浅的斜度。与上面类似，表4和5的建模数据用于产生建模设计窗口的曲线图。针对第二刚性材料建模的加载以电介质铠装承载所施加的3000牛顿压碎载荷的100％(挠曲为3毫米或更小)和弯曲载荷的100％进行，以提供可接受的设计窗口性能。
图9E和9F图示了第二刚性材料在给定最小应变水平、给定总槽深(dO+di)时的带厚度T1-槽长2L2/节距P比(即(2L2)/P)曲线。具体地，图9E示出了应变为80％时的设计窗口，图9F示出了应变为110％时的设计窗口。
因此，如表及曲线图所示，铠装造型的实施例可具有基于材料的范围之内的尺寸以提供所希望的压碎和弯曲特性。例如，电介质铠装可具有由第一刚性材料形成的内层(最小应变为80％)，及可具有由非刚性材料形成的可选外层，其中内层的带厚度T1在约1毫米和约5毫米之间及筋蹼厚度T2在约0.1T1和约T1之间。非刚性材料不明显影响压碎和弯曲特性，但可影响抗冲击性。作为例子，外层具有适当的厚度，如约0.5毫米到约2.0毫米，如约1毫米。另外，适当的铠装光纤组件可具有使用同样材料的建模设计窗口之外的设计，因为光纤组件可承载一部分压碎和/或弯曲载荷。
例如，与图2A类似及其中光纤组件承载载荷的铠装光纤组件设计的一个例子使用可从北卡罗来纳州Hickory的Corning CableSystems获得的24光纤MIC光缆作为光纤组件。24光纤MIC光缆包括光缆护套，该光缆护套在压碎和弯曲期间支撑电介质铠装，因为自由空间相当小如约0.5±0.2毫米。电介质铠装由8015刚性材料的内层形成并具有约1.5毫米的带厚度、约1毫米的筋蹼厚度及约10的节距，非刚性外层由可从Teknor Apex获得的风道级的910A-18形成。该24光纤实施例有利地满足所希望的机械特性，如压碎和弯曲特性，同时还符合立管级要求。其它类似的实施例可满足机械特性并为风道级。光纤组件承载载荷的另一适当例子使用可从Corning CableSystems获得的6光纤MIC光缆。在该实施例中，电介质铠装也由8015刚性材料的内层形成并具有约1.3毫米的带厚度、约0.8毫米的筋蹼厚度及约10的节距，非刚性外层由910A-18形成，该电介质铠装与图2A的设计类似。该6光纤实施例有利地满足所希望的机械特性如压碎和弯曲特性，同时还符合风道级要求。
铠装光纤组件的其它变化也是可能的，电介质铠装可具有其它形状。例如，图10A为铠装光纤组件220的立体图，其包括具有刚性材料内层72和非刚性材料外层74的电介质铠装120’。与其它实施例一样，电介质铠装120’包括铠装造型并位于构造为光缆的光纤组件30周围。如上所述，内层72和/或外层74之一或二者包括筋蹼102和带110。在该实施例中，铠装造型的筋蹼102和带110沿电介质铠装的长度具有固定纵向定向而不是具有螺旋形结构。换言之，筋蹼102和带110不沿光纤组件纵向行进(即导程为0)。
图10B示出了具有电介质铠装120”的铠装光纤组件320，电介质铠装120”具有由条纹200形成的内层72，条纹200按螺旋方式卷绕或挤压成形在光纤组件30周围。换言之，形成内层72的条纹200不具有连续环形截面，但在相继圈之间具有空间。如图所示，条纹200具有矩形截面，但其可具有圆形边缘以防止外层74“易撕裂”。在其它实施例中，内层72起波状以提供卷绕在光纤组件30周围的灵活性，或互锁以增加机械强度。
如图所示，外层74与条纹200形成的内层72一致且通常具有对应的铠装造型螺旋形形状。然而，外层74的形状可不同于条纹200形成的形状。在实施例中，内层120”使用尾旋、卷绕和/或绞合方法卷绕在光纤组件30周围。卷绕方法可包括旋转光纤组件30。另外，条纹200可被预加热以在卷绕在光纤组件30周围或施加到光纤组件30之前使条纹软化从而降低内层的刚性。也可挤压成形条纹200然后卷绕条纹或产生贯穿内层的壁的间隙。另外，其它类型的材料也可用于电介质铠装的各部分。作为例子，内层72可以是紫外(UV)光可固化的材料(即UV可固化材料)，其成螺旋形地卷绕在光纤组件30周围，然后使用适当的辐射量固化。该过程可包括向条纹200施加或添加树脂。
也对图10B的实施例进行有限元建模以确定满足如上所述的所希望的压碎条件的设计，其中条纹200承载压碎载荷的约82％(约为3000牛顿中的2468牛顿)。不考虑弯曲，因为条纹200具有间隙，从而没有内层具有连续环形截面的实施例那样的带-筋蹼分离问题。再次地，其它实施例可使光纤组件承载小部分载荷使得其它变化也可能具有所希望的性能。
下面的表D列出了用作内层72的条纹200的示例性尺寸，在满足所希望的压碎条件的同时在光纤组件周围具有不同的节距。图10C示出了表D中所列的条纹200的尺寸。具体地，表D列出了由第一刚性材料(SRP 2009)形成的条纹200的不同节距(P)，其内径ID为约6.8毫米、厚度为约2.2毫米(从而产生约11.2毫米的外径)、及具有如表中所列的普通宽度W。另外，表D列出了间隙GAP、实际带宽度BW(即条纹的变形宽度)及每光纤组件长度的材料比(即带宽度除以节距)。如表D中所示，节距P和普通宽度W的范围可满足图10B实施例的所希望的压碎加载。此外，如果光纤组件承载小部分载荷，则可能的尺寸范围更大。作为例子，图10B的实施例可具有约5毫米和约30毫米之间的节距P及约1毫米和约5毫米之间的厚度。如表D中所给出的，材料比表示条纹的材料使用的百分比(即材料比越小，每米需要的材料越少)。例如，节距P为26的设计具有满足所希望条件的最有效的材料使用，因为组件的纵向长度只有47.1％的周围有条纹。
表D：图10B的条纹的示例性尺寸
 节距(P)mm   宽度(W)Mm   间隙mm   带宽度(BW)mm   材料比
  32   10.7   15.843   16.157   50.5％
  26   9.01   13.766   12.766   47.1％
 节距(P)mm   宽度(W)Mm   间隙mm   带宽度(BW)mm   材料比
  20   7.71   10.560   9.440   47.2％
  14   6.03   7.267   6.733   48.1％
其它实施例可看上去与使用条纹的图10B类似，但具有不同的构造。例如，图10D示出了具有电介质铠装120”’的铠装光纤组件420，其看上去与图10B类似，但内层72挤压成形在光纤组件30周围，之后，外层74挤压成形在内层72周围。在该实施例中，内层72和外层74均具有连续环形截面。具体地，内层72具有均匀截面(即光滑管)及铠装造型位于外层74中。更具体地，外层74具有非常薄的筋蹼厚度如约0.5毫米或更小，但其它值也可能。具有光滑管内层72的实施例可具有相当低的最小应变水平如约10％或更大的最小应变。例如，一光滑管内层在弯曲半径RB为约8RT(即铠装光纤组件的直径的4倍)时具有约12％的最小应变。
形成电介质铠装的一种方法包括使用一种或多种基于挤压成形的方法形成铠装造型。例如，图11为挤压成形系统300的侧视图，其包括具有内部301的挤压机302，内部301之中具有桶303和螺杆310且连到十字头组件(“十字头”)304。为参考起见，示出了X-Y-Z笛卡尔坐标，及图11的图处于X-Y平面。挤压机302包括螺杆310，其机械上与电动机组件320连接并由该电动机组件驱动。电动机组件320包括电动机322及将电动机连接到螺杆310的驱动系统324。材料漏斗330向挤压机302提供挤压成形材料332，在此为电介质材料，其最终形成电介质铠装120。适于用作挤压成形系统300的示例性挤压成形系统在美国专利4,181,647中公开。
图12为在Y-Z平面看到的示例性十字头304的局部截面特写示意图。十字头304包括具有中央通道350的尖头348，中央通道350具有输出端352且其中布置型管360，具有外表面361、形成管内部363的内表面362、近(输出)端364和远端365。压型部件370位于输出端352处的外表面361上。在实施例中，压型部件370为小块或隆起。型管内部363具有可轴向容纳光纤组件30的大小。型管远端365中央与齿轮374啮合，继而由电动机(未示出)以使得型管360在通道350内旋转的方式进行驱动。
十字头304还包括相对于尖头348布置的模378以形成锥状材料通道380，该材料通道通常包围中央通道350并具有与通道输出端352处于同一平面中的输出端382。材料通道380连接到挤压机内部301以从其接收挤压成形材料332，及在挤压成形过程期间使挤压成形材料流过材料通道以形成电介质铠装的一层或多层。在图12的十字头304实施例中，型管输出端365延伸到通道输出端352之外，使得其上的压型部件370邻近材料通道输出端382。在实施例中，型管360和尖头348合为一体以形成单一工具。
在形成铠装光纤组件20时，挤压成形材料(未示出)流过材料通道380并从材料通道输出端382流出。同时，光纤组件30通过型管内部363馈送并从型管输出端364离开(因而通过尖头348和模378)。其间，型管360经齿轮374进行旋转，使得压型部件370在挤压成形材料流在光纤组件30周围流动时使其改道(即成形)。随着光纤组件30移过压型管输出端364，压型部件的圆周运动使挤压成形材料流改向。当压型部件370的运动与光纤组件30的线性运动结合时，挤压成形材料流形成铠装造型。型管360相对于光纤组件30的运动(其也可旋转)的旋转速度控制节距。例如，在其它所有条件一样的情况下，压型部件370的旋转速度越高导致节距越短。压型部件370的大小和形状特性至少部分控制赋予电介质铠装的外表面80的具体铠装造型。尽管挤压成形流主要在铠装内部改向，但材料液面降低使槽部分或完全移到铠装的外表面。当然，这种类型的挤压成形配置可对电介质铠装的任何层使用。
另外，有其它适当的方法可用于形成铠装造型。作为例子，图13示意性地示出了初始挤压成形为光滑表面的管(即具有右侧所示的光滑外表面)的电介质铠装120。其后，在硬化之前，通过在层内应用(如按压)变形件402(如小块或手指)而在光滑表面的管中形成外表面80的铠装造型，以使外表面80以与车床中使用的类似方式成形。在该例子中，变形件402可简单地将材料从筋蹼向带改向，或其可从电介质铠装120完全去除材料。在一实施例中，变形件402静止不动及光缆20旋转，而在另一实施例中，变形件402在电介质铠装120通过时在其周围旋转。在又一实施例中，电介质铠装120和变形件402均旋转。变形件402也可组合在挤压成形工具(模)中。
图14为与图12中所示类似的另一示例性十字头实施例304’的示意截面特写图，其中尖头348和模378构造成使得中央通道350与穿过其流动挤压成形材料332的材料通道组合。型管360的一部分位于尖头348的内部区域349中，而型管的近端部分位于通道350内使得压型部件370位于中央通道350内并邻近通道输出端352。该几何结构使能控制挤压成形材料流332，同时限制模378内的材料。
在与图13中所示类似的另一实施例中，如图15和16所示，电介质铠装使用电介质材料332初始挤压成形为光滑表面的管(即具有右侧所示的光滑外表面)。其后，在硬化之前，通过应用(如按压)具有一个或多个部件404的变形件402(如一组齿轮)而形成外表面80的铠装造型，一个或多个部件404压入电介质铠装以成形外表面80。图16示出了具有外缘403的滚筒型变形件402的实施例的立体图，部件404形成在外缘403中。在该实施例中，图15的变形件402可按两个、三个、四个或更多个的组形成以成形所希望的铠装造型。滚筒型变形件404在电介质铠装硬化之前在其外表面80上滚动，从而使部件404压印并成形铠装造型。
另外，变形件402可将挤压成形材料332挤压靠向光纤组件30以消除自由空间90。变形件402还可以保持所希望的自由空间量的方式挤压靠向电介质铠装120。图17为使用两个滚筒型变形件将所希望的铠装造型压印在电介质铠装内的正视图。当然，滚筒型变形件可具有任何所希望的图案以产生所希望的铠装造型。
很显然，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明进行各种修改和变化。因此，如果前述修改和变化在所附权利要求及其等效方案的范围之内，则本发明覆盖这些修改和变化。

Claims (16)

1.一种铠装光纤组件，包括：
具有至少一光纤的光纤组件；及
包围所述光纤组件的电介质铠装，所述电介质铠装具有铠装造型和连续环形截面，其中
电介质铠装具有至少一层由刚性材料形成的层；及
铠装造型具有带厚度T1和筋蹼厚度T2，其中带厚度T1在约0.5毫米和约5毫米之间，及筋蹼厚度T2为0.1T1≤T2≤T1。
2.根据权利要求1的铠装光纤组件，其中铠装光纤组件在抗压碎测试期间具有3.3毫米或更小的径向挠曲，所述抗压碎测试在10厘米长的铠装光纤组件上施加300牛顿/厘米的载荷10分钟。
3.根据权利要求1或2的铠装光纤组件，其中铠装造型具有约5毫米和约30毫米之间的节距P。
4.根据权利要求1-3的铠装光纤组件，其中铠装造型具有约为节距P的20％和80％之间的槽长。
5.根据权利要求1-4的铠装光纤组件，其中铠装光纤组件在光纤组件的外表面和电介质铠装的内表面之间具有约2毫米或更小的自由空间。
6.根据权利要求1-5的铠装光纤组件，其中所述至少一层具有约1200MPa或更大的弹性模量。
7.根据权利要求1-6的铠装光纤组件，其中所述铠装光纤组件在使用2千克质量进行冲击测试期间具有0.2dB或更小的衰减量。
8.根据权利要求1-7的铠装光纤组件，其中在弯曲半径为铠装光纤组件的直径的四倍时所述电介质铠装具有约12％或更大的最小应变。
9.一种铠装光纤组件，包括：
具有至少一光纤的光纤组件；及
包围所述光纤组件的电介质铠装，所述电介质铠装具有铠装造型，其中电介质铠装具有由刚性材料形成的内层和由非刚性材料形成的外层；及铠装造型具有带厚度T1和筋蹼厚度T2，其中带厚度T1在约0.5毫米和约5毫米之间，及筋蹼厚度T2为0.1T1≤T2≤T1，其中
所述内层具有连续环形截面。
10.根据权利要求9的铠装光纤组件，其中所述铠装光纤组件在抗压碎测试期间具有3.3毫米或更小的径向挠曲，所述抗压碎测试在10厘米长的铠装光纤组件上施加300牛顿/厘米的载荷10分钟。
11.根据权利要求9或10的铠装光纤组件，其中铠装造型具有约5毫米和约30毫米之间的节距P及在节距P的20％和80％之间的槽长。
12.根据权利要求9-11的铠装光纤组件，其中铠装光纤组件在光纤组件的外表面和电介质铠装的内表面之间具有约2毫米或更小的自由空间。
13.根据权利要求9-12的铠装光纤组件，其中所述铠装造型至少由内层和外层中的一层形成，内层具有约1200MPa或更大的弹性模量。
14.形成铠装光纤组件的方法，包括：
提供光纤组件；及
在所述光纤组件周围形成电介质铠装，其中所述电介质铠装具有铠装造型，其中所述铠装造型在将电介质铠装形成在光纤组件周围期间形成，其中该形成步骤包括使用具有挤压成形十字头的挤压机，其在光纤组件通过挤压成形十字头时形成铠装造型。
15.根据权利要求14的方法，还包括形成具有内层和外层的电介质铠装。
16.根据权利要求14或15的方法，其中所述电介质铠装具有连续环形截面。
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