CN103777272A - 一种适用于高应力环境的长寿命光纤 - Google Patents

Abstract

一种适用于高应力环境的长寿命光纤，涉及光纤制造领域，石英光纤表面依次向外设有三层涂层，第一涂层为二氧化钛、碳或高密度聚乙烯化合物的一种，第二涂层为杨氏模量0.3～0.7Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量700～1200Mpa的聚丙烯树脂。本发明适用于高应力环境的长寿命光纤，采用三涂层的方式，动态疲劳系数高，抗应力能力强，在高应力环境下具有较长的使用寿命。

Description

一种适用于高应力环境的长寿命光纤

技术领域

本发明涉及光纤制造领域，具体来讲是一种适用于高应力环境的长寿命光纤。

背景技术

目前常规光纤的涂层结构普遍为双涂层结构，即分为内涂层和外涂层，一般内涂层为较软材质的材料，外涂层为较硬材质的材料。这样做的目的是当光纤受到外力作用时，较硬的外层首先起到抵抗外力的作用，然后较软的内层缓冲外力的作用。但是，当使用环境为较为特殊的或较为恶劣的环境时，这种双涂层结构设计则存在可靠性下降、光纤性能变差、甚至无法使用的现象。

在当前的建筑物如桥梁、重要高楼等的使用状况检测中，分布式光纤传感技术由于其体积小、受外界信号干扰小、测试精度高、通信反应快等受到广泛关注。但是，如果光纤采用预埋设方式与建筑物同期铺设时，常规材料与涂层结构设计的光纤的使用寿命为20年左右，而建筑物普遍要求寿命达到70年甚至更高，此时常规涂覆和常规涂覆材料光纤其动态疲劳参数小于30，其使用寿命将较常规应力环境的20年大幅缩短。

在有些应用场合，光纤需要以极小的弯曲半径的状态进行光信号的传输，而弯曲半径越小给光纤施加的应力就会越大，则光纤的使用寿命就会有相应的降低；例如当光纤在弯曲半径小于30mm时，受本身弯曲的影响，会对光纤产生较高的应力，会相对减少光纤的使用寿命，弯曲半径越小，光纤承受的相应的应力越大，则光纤的使用寿命下降的更快。

另外，在光纤入户的连接技术中，目前最方便的冷接技术由于不涉及熔融机的使用，只需要两个冷接设备对接，既可以高质量低损耗的光纤对接，而受到广泛关注。但是冷接环境下，光纤存在受较高应力和外界水汽、空气等的干扰，常规材料和涂覆结构的光纤，其使用寿命会大幅降低，影响客户使用感知，成为困扰光纤冷接技术发展的重要限制。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于高应力环境的长寿命光纤，采用三涂层的方式，动态疲劳系数高，抗应力能力强，在高应力环境下具有较长的使用寿命。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种适用于高应力环境的长寿命光纤，石英光纤表面依次向外设有三层涂层，第一涂层为二氧化钛、碳或高密度聚乙烯化合物的一种，第二涂层为杨氏模量0.3～0.7Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量700～1200Mpa的聚丙烯树脂。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层为二氧化钛或碳时，厚度为3nm；第二涂层厚度为30μm；第三涂层为30μm。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层采用等离子体化学气相沉积装置沉积；第二涂层和第三涂层采用干+湿法，分别利用密封压力涂覆，再使用紫外光将其由液态固化为固态。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层为二氧化钛时，第二涂层为杨氏模量0.5Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量1200MPa的聚丙烯树脂。

在上述技术方案的基础上，所述长寿命光纤的动态疲劳参数为150，光纤1550nm衰减达到0.201dB/km。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层为碳时，第二涂层为杨氏模量0.3MPa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量700MPa的聚丙烯树脂。

在上述技术方案的基础上，所述长寿命光纤的动态疲劳参数为151，光纤1550nm衰减达到0.210dB/km。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层为高密度聚乙烯化合物时，厚度为0.5μm，第二涂层厚度为30μm；第三涂层为30μm。

在上述技术方案的基础上，所述第二涂层为杨氏模量0.7MPa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量800MPa的聚丙烯树脂。

在上述技术方案的基础上，所述第一涂层通过模具涂覆，并使用紫外光固化；第二涂层和第三涂层采用湿+湿法，第二涂层和第三涂层通过密封压力涂覆法一起涂覆，再用紫外光将两道涂层一起由液态固化为固态。

本发明的有益效果在于：提高了光纤抵抗外界杂质的能力，从而大幅提高了光纤的动态疲劳参数，适用于高应力环境的长寿命光纤的疲劳系数高，抗应力能力强，抵抗外界干扰能力高；因此在高应力环境下具有较长的使用寿命；具有较好的使用特性与使用寿命的特点，特别适合光纤到户、随建筑物铺设构建应力传感长时间监控建筑的使用状况等应用环境。另外，第一涂层为高密度聚乙烯化合物时，其紧密地与石英光纤贴敷在一起，同时又可轻易为目前常规刀具切开端面，使石英光纤在有其包裹的条件下，仍可由常规的切割刀获得良好的端面，从而保证良好的光纤对接；如果需要剥离第一涂层，可采用加热熔融法剥离。

附图说明

图1为本发明一种适用于高应力环境的长寿命光纤端面结构示意图。

附图标记：

1-石英光纤，2-第一涂层，3-第二涂层，4-第三涂层。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种适用于高应力环境的长寿命光纤，包括石英光纤1和三层涂层，石英光纤1表面依次向外设有第一涂层2、第二涂层3和第三涂层4。所述第一涂层2为二氧化钛、碳或高密度聚乙烯化合物的一种，第二涂层3为杨氏模量0.3～0.7Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层4为杨氏模量700～1200Mpa的聚丙烯树脂。

实施例1：

所述石英光纤1外的第一涂层2为二氧化钛，其厚度为3nm；第二涂层3和第三涂层4的厚度均为30μm；第二涂层3为杨氏模量0.5Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层4为杨氏模量1200MPa的聚丙烯树脂。

制备时，首先利用高温炉将石英棒熔融拉制成石英光纤1，通过紧挨高温炉下炉口布置的等离子体化学气相沉积装置，在其表面沉积3nm厚度的二氧化钛层，即第一涂层2。然后采用干+湿法制备第二涂层3和第三涂层4，利用密封压力涂覆法，先涂覆杨氏模量0.5Mpa的聚丙烯树脂（较软的聚丙烯酸树脂）30μm厚度，使用紫外光将其由液态固化为固态；再利用密封压力涂覆发涂覆杨氏模量1200MPa的聚丙烯树脂（较硬的聚丙烯酸树脂）30μm厚度，同样使用紫外光将其由液态固化为固态。

石英光纤1由于内部缺陷、表面反应与表面损伤，在其内部和表面形成了各种各样的缺陷，这些缺陷可以看成是裂纹源，这些裂纹的扩展及石英玻璃的脆性是石英光纤强度降低的主要原因。根据Griffith理论，裂纹失稳扩展的临界应力为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\αE}}{\mathrm{\πL}}}$

其中，δ为临界应力，L为微裂纹长度，是光纤提高抗拉强度和长期使用寿命的关键，α和E为材料相关系数。本实施例中，二氧化钛填补缺失的硅氧键，从而将上述微裂纹进行“愈合”，从而大幅提高了光纤的使用寿命。二氧化钛与二氧化硅（石英光纤主要材料）具有相同共价键方式，同时二氧化钛具有很高的硬度，按莫氏硬度10分制标度，其硬度达到6.0以上，第一涂层2为二氧化钛的光纤11进入金属模具中时，能避免因为与模具摩擦产生的光纤表面的微裂纹。测试表明，其动态疲劳参数达到150，同时光纤1550nm衰减达到0.201dB/km，与常规通信单模光纤衰减水平相一致。同时，由于二氧化钛具有一定的亲水性，在其外面涂覆第二涂层3和第三涂层4，可使光纤在保持高使用寿命的同时，仍可达到常规光纤的良好使用性能。如果光纤在建筑物中铺设时，在常规应力环境下，考虑光纤动态疲劳参数与光纤使用寿命的正比关系，则本实施例光纤的常规应力使用寿命可达70年到100年，这样光纤本身可以与建筑物的要求使用寿命达到一致。

实施例2：

所述石英光纤1外的第一涂层2为碳，其厚度为3nm；第二涂层3和第三涂层4的厚度均为30μm；第二涂层3为杨氏模量0.3MPa的聚丙烯树脂，第三涂层4为杨氏模量700MPa的聚丙烯树脂。

制备时方式与实施例1的制备方式相同，此处不再赘述，不同之处在于利用密封压力涂覆法涂覆第二涂层3杨氏模量0.3MPa的聚丙烯树脂；第三涂层4为杨氏模量700MPa的聚丙烯树脂。

本实施例中，由于光纤的使用寿命预测模型通常采用如下寿命计算公式：

$t_s=t_p{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)}^n\[{(1-\frac{\ln (1-M)}{N_p{L}_f})}^{\frac{n-2}{m}}-1\]$

其中t_s为光纤的使用寿命，t_p为筛选时间，m为光纤强度分布曲线（Weibull分布曲线）的斜率，n为疲劳系数，N_p为筛选时断裂次数，L_f为光纤长度，M为容许断裂概率，σ_p为筛选后的最小强度，σ_s为静态应力强度（使用应力），因此提高光纤使用寿命的关键是提高筛选水平和提高光纤的疲劳系数n。光纤的疲劳系数正比于光纤的动态疲劳参数，动态疲劳参数越大，则疲劳系数n越大。本实施例中，碳元素与硅元素为同族元素，并且为同族元素中原子量最小的元素，因此采用其涂覆在石英光纤1的表面时，其可以将石英光纤表面断裂的硅氧键很容易的结合起来，同样起到实施例1中的“愈合”作用，同时碳的结晶体具有很高的硬度，也可以有效避免光纤经过高强度的金属模具时被擦伤。本实施例中光纤动态疲劳参数达到151，光纤1550nm衰减为0.210dB/km。本实施例在光纤动态疲劳参数达到150以上，可以保证光纤在小弯曲半径高应力环境下，具有高达20-50年甚至更高的使用寿命。

实施例3：

所述石英光纤1外的第一涂层2为高密度聚乙烯化合物，其厚度为0.5μm，第二涂层3和第三涂层4的厚度均为30μm；第二涂层3为杨氏模量0.7MPa的聚丙烯树脂，第三涂层4为杨氏模量800MPa的聚丙烯树脂。

制备时，首先利用高温炉将石英棒熔融拉制成石英光纤1，然后通过模具涂覆高密度聚乙烯化合物形成第一涂层2，并使用紫外光固化。然后采用湿+湿法，将第二涂层3和第三涂层4通过密封压力涂覆法一起涂覆，其中第二涂层3在第三涂层4内，再用紫外光将两道涂层一起由液态固化为固态。

本实施例中，由于高密度聚乙烯拉伸强度可达40MPa以上，其可将石英包层紧密包裹保护，因此适用于高应力环境的长寿命光纤同样具有实施例1和实施例2中所述的优点，同时通过使用抗应力的光波导结构，该光纤的1550nm衰减可达到0.25dB/km，具有较长的使用寿命。

此外，第二涂层3和第三涂层4紧密结合，普通的钳子剥离法即可剥离，同时由金刚刀切割，剥离第二涂层3和第三涂层4后的光纤可切割出平整的端面，与其他同样如此形成的端面能够良好对接。由于高密度聚乙烯在常温下不溶于现有有机溶剂，因此当切割平整的两根光纤的端面紧密结合后，两根光纤靠近端面侧已剥离第二涂层3和第三涂层4的部分将仍具有充分的保护，不用担心外界的水汽或空气等因素对其使用寿命的不良影响。而现有的其他涂层结构的光纤由于需要将石英光纤1外面的所有涂层全部剥离才能保证切割出良好的端面，这样现有的涂层结构的光纤如果不施加任何保护，难以通过简单的两根光纤端面对接的方式来实现长时间的稳定工作。因此本实施例研制的光纤，在光纤入户后，不用复杂的热熔对接与附加保护工艺，大幅简化光纤之间的对接工艺，使普通人也可通过简单的工具实现两根光纤的低损耗对接和长时间稳定工作。

当在某些场合需要使用热熔工艺对接两根光纤时，可通过热熔的方式去除第一涂层2，从而可使用熔接机来熔融两根切割好端面的裸石英光纤来实现对接。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：石英光纤表面依次向外设有三层涂层，第一涂层为二氧化钛、碳或高密度聚乙烯化合物的一种，第二涂层为杨氏模量0.3～0.7Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量700～1200Mpa的聚丙烯树脂。

2.如权利要求1所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层为二氧化钛或碳时，厚度为3nm；第二涂层厚度为30μm；第三涂层为30μm。

3.如权利要求2所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层采用等离子体化学气相沉积装置沉积；第二涂层和第三涂层采用干+湿法，分别利用密封压力涂覆，再使用紫外光将其由液态固化为固态。

4.如权利要求1所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层为二氧化钛时，第二涂层为杨氏模量0.5Mpa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量1200MPa的聚丙烯树脂。

5.如权利要求4所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述长寿命光纤的动态疲劳参数为150，光纤1550nm衰减达到0.201dB/km。

6.如权利要求1所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层为碳时，第二涂层为杨氏模量0.3MPa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量700MPa的聚丙烯树脂。

7.如权利要求6所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述长寿命光纤的动态疲劳参数为151，光纤1550nm衰减达到0.210dB/km。

8.如权利要求1所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层为高密度聚乙烯化合物时，厚度为0.5μm，第二涂层厚度为30μm；第三涂层为30μm。

9.如权利要求8所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第二涂层为杨氏模量0.7MPa的聚丙烯树脂，第三涂层为杨氏模量800MPa的聚丙烯树脂。

10.如权利要求8所述的适用于高应力环境的长寿命光纤，其特征在于：所述第一涂层通过模具涂覆，并使用紫外光固化；第二涂层和第三涂层采用湿+湿法，第二涂层和第三涂层通过密封压力涂覆法一起涂覆，再用紫外光将两道涂层一起由液态固化为固态。