CN104176926A - 一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其确保沉积初期具有较高的沉积速率和粉尘收集率、同时确保在沉积后期直径较大时，疏松体具有足够高的密度，较高的沉积速率，且表面没有螺旋纹现象，可实现高效合成大直径光纤预制棒，既降低光棒制造成本，也降低后续拉制光纤的成本。其通过外气相沉积法对起始棒进行表面逐层沉积并形成光纤预制棒母棒疏松体，喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动，其特征在于：在沉积前阶段使用小口径喷灯、口径为D1，在沉积后阶段经过喷灯切换后使用大口径喷灯、口径为D2。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造的技术领域，具体为一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法,本发明还提供了一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置。
背景技术
外气相沉积法，尤其是OVD法(Outside Vapor Deposition)是制造光纤预制棒的主流方法。与其它方法相比，其具有制造成本低、生产效率高的优势。该方法是在一根起始棒(或称种棒、靶棒、芯棒)表面逐层沉积并形成光纤预制棒母棒疏松体(简称光棒疏松体)。
现有的OVD法沉积设备如图1所示，主要包括单组的喷灯2、抽风口4、夹具5、引杆6、转动装置7、箱体8，及外部的升降装置和原料气体供应系统(未画出)。两端的夹具固定起始棒1，沉积过程中，转动装置带动夹具及起始棒1持续转动，单个喷灯2与起始棒在起始棒1轴向上也有相对往复移动速度，轴向相对移动可由升降装置带动起始棒移动或由升降装置带动喷灯移动来实现，由喷灯喷射出的原料在喷灯火焰中反应后沉积在起始棒表面形成光棒疏松体，光棒疏松体逐渐增大，直至目标重量或目标直径。
在整个沉积过程中，疏松体直径始终在逐渐增大。对同一规格喷灯来说，疏松体直径不同时沉积速率和粉尘收集率也将不同，一般直径越大，沉积速率和粉尘收集率也越大，直径较小时沉积速率和收集率较小。另一方面，随着疏松体直径的增大，即使增大气体流量，疏松体密度也难以达到理想高度，疏松体直径过大时疏松体开裂概率将显著增大，同时，直径过大时，疏松体表面也将出现螺旋纹。疏松体直径越大、密度越大，制得的光棒也将越大。为降低光纤预制棒制造成本，提高沉积速率和收集率、制造大尺寸光棒，是发展的必然方向。
公开号为CN 1606534A的专利通过降低转速和相对移动速度以保持沉积点相对线速度不变或减小，随着疏松体直径增大，这样会使表面出现螺旋纹，难以制备大直径疏松体。
公开号为CN 102923942 A的专利用VAD法制备芯棒，将套管与该芯棒组合后融合成不完整的光棒，以此为种棒用OVD法沉积光棒，此方法效率较高，且可制备大直径光棒，但多了一步套管法制棒的工序，且用到高纯石英套管，不利于降低成本。公开号为CN 102757179 A的专利存在同样问题。
公开号为CN 101565272A的专利通过提高沉积初期火焰温度和加大沉积初期相对移动速度来解决靶棒较细时沉积速率低的问题，此方法容易引起界面出现螺旋纹、难以玻璃化和气泡等问题，且此方法未能解决疏松体直径较大时存在的沉积速率不能继续提高、易开裂及直径波动的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其确保沉积初期具有较高的沉积速率和粉尘收集率、同时确保在沉积后期直径较大时，疏松体具有足够高的密度，较高的沉积速率，且表面没有螺旋纹现象，可实现高效合成大直径光纤预制棒，既降低光棒制造成本，也降低后续拉制光纤的成本。
一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其技术方案是这样的：其通过外气相沉积法对起始棒进行表面逐层沉积并形成光纤预制棒母棒疏松体，喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动，其特征在于：在沉积前阶段使用小口径喷灯、口径为D1，在沉积后阶段经过喷灯切换后使用大口径喷灯、口径为D2。
其进一步特征在于：所述喷灯切换在所述光纤预制棒母棒疏松体的直径为目标直径1/2～2/3时进行，喷灯切换完成后小口径喷灯的喷口远离所述起始棒的外环面、小口径喷灯原料和气体逐渐关闭，大口径的喷灯的喷口朝向所述起始棒的外环面、进行喷射；
所述喷灯切换前，大口径喷灯的原料和气体流量调至稳定状态；
所述D2/D1＝1.2～2，具体数值与期望制备的光纤预制棒母棒疏松体的目标直径有关,目标直径越大,D2/D1的值越大；
所述喷灯切换可以是两组喷灯之间平行移动完成切换；
所述喷灯切换也可以是两组喷灯之间以旋转方式完成切换；
所述喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动可以是简单的直线往复运动，也可以是停顿位置递进错开的直线往复移动方式；
随着疏松体直径的增大，喷灯会逐渐远离起始棒，但喷灯与沉积表面距离逐渐减小或保持不变。
由于该方法不依赖重力完成喷射，使得该方法在横向外气相沉积法和纵向外气相沉积法中均适用。
一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置，其技术方案是这样的：其包括喷灯、抽风口、夹具、引杆、转动装置、箱体，所述箱体的内部两端分别布置有夹具，所述夹具通过所述引杆分别连接有所述转动装置，所述箱体的一侧设置有抽风口，所述箱体的内部布置有喷灯，起始棒的两端分别装于两端的所述夹具内，其特征在于：所述喷灯包括两组喷灯口直径不等的喷灯，分别为小口径喷灯组、大口径喷灯组，小口径喷灯组、大口径喷灯组的喷灯口不同时朝向所述起始棒的外环面，同一组喷灯内的喷灯的沿着起始棒的轴向顺次布置，同一组喷灯组的喷灯的喷灯口的朝向互相平行，小口径喷灯组、大口径喷灯组之间通过切换结构调整喷灯口朝向。
其进一步特征在于：所述切换结构具体为平移切换结构；
所述平移切换结构包括平移框架，所述平移框架的前端两侧分别连接所述小口径喷灯组、大口径喷灯组，所述平移框架的后端紧固有螺母，伺服电机的输出端外接有丝杆，所述丝杆螺纹套装于所述螺母内；
所述小口径喷灯组、大口径喷灯组的中心线间距a为两种喷灯平均口径的2.5～5倍，即a的取值范围为(2.5～5)×(D1+D2)/2；确保切换在0.2～0.5min内完成；
所述切换结构具体为旋转切换结构；
所述旋转切换结构包括中心杆、旋转框架，所述旋转框架包括中心套筒、两根连接杆，所述中心套筒套装于所述中心杆，两根所述连接杆成角布置于所述中心套筒的外环面，两根所述连接杆径向布置于所述中心套筒的外环面；
两根所述连接杆的长度相同，两根所述连接杆所在平面成角根据中心杆与沉积面距离定，确保喷灯的喷射物喷向疏松体的外环面、并确保切换在0.2～0.5min内完成。
采用本发明的结构后，在沉积前阶段使用小口径喷灯、口径为D1，确保沉积初期具有较高的沉积速率和粉尘收集率；在沉积后阶段经过喷灯切换后使用大口径喷灯、口径为D2，确保在沉积后期直径较大时，疏松体具有足够高的密度，较高的沉积速率，且表面没有螺旋纹现象，可实现高效合成大直径光纤预制棒，既可降低光棒制造成本，也可降低后续拉制光纤的成本。
附图说明
图1为现有的OVD法沉积设备结构示意图；
图2为本发明的主视图结构示意图；
图3是喷灯的结构示意图，D为喷口直径；
图4是两组喷灯平移切换装置俯视示意图；
图5是两组喷灯旋转切换装置俯视示意图；
图6是喷灯沉积相对移动方式的停顿位置递进错开的直线往复移动方式示意
图；
图7是实验一和实验二的疏松体直径对比分析图；
图8是实验一和实验二的疏松体重量对比分析图；
图9是实验二和实验三的疏松体密度对比分析图；
图中各序号所对应的标注名称如下：
起始棒1、喷灯2、疏松体3、抽风口4、夹具5、引杆6、转动装置7、箱体8、平移框架9、螺母10、伺服电机11、丝杆12、中心杆13、中心套筒14、两根连接杆15、键16、小口径喷灯组2a、大口径喷灯组2b。
具体实施方式
一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其通过外气相沉积法对起始棒进行表面逐层沉积并形成光纤预制棒母棒疏松体，喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动，在沉积前阶段使用小口径喷灯、口径为D1，在沉积后阶段经过喷灯切换后使用大口径喷灯、口径为D2。其中D2/D1＝1.2～2，具体数值与期望制备的光纤预制棒母棒疏松体的目标直径有关,目标直径越大,D2/D1的值越大；喷灯切换在光纤预制棒母棒疏松体的直径为目标直径1/2～2/3时进行，喷灯切换完成后小口径喷灯的喷口远离起始棒的外环面、小口径喷灯原料和气体逐渐关闭，大口径的喷灯的喷口朝向起始棒的外环面、进行喷射；喷灯切换前，大口径喷灯的原料和气体流量调至稳定状态。
喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动包括两种情况：a喷灯运动、起始棒轴向不运动；b起始棒轴向运动、喷灯位置固定；a和b两种情况皆可。喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动可以是简单的直线往复运动，也可以是停顿位置递进错开的直线往复移动方式，具体方式见图6。
喷灯切换可以是两组喷灯之间平行移动完成切换、也可以是两组喷灯之间以旋转方式完成切换。
随着疏松体直径的增大，喷灯会逐渐远离起始棒，但喷灯与沉积表面距离逐渐减小或保持不变。
由于该方法不依赖重力完成喷射，使得该方法在横向外气相沉积法和纵向外气相沉积法中均适用。
一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置，见图2～图5，其包括喷灯2、抽风口4、夹具5、引杆6、转动装置7、箱体8，箱体8的内部两端分别布置有夹具5，夹具5通过引杆6分别连接有转动装置7，箱体8的一侧设置有抽风口4，箱体8的内部布置有喷灯2，起始棒1的两端分别装于两端的夹具5内，喷灯2包括两组喷灯口直径不等的喷灯，分别为小口径喷灯组2a、大口径喷灯组2b，小口径喷灯组2a、大口径喷灯组2b的喷灯口不同时朝向起始棒1的外环面，同一组喷灯内的喷灯的沿着起始棒1的轴向顺次平行布置，同一组喷灯组的喷灯的喷灯口的朝向一致，小口径喷灯组2a、大口径喷灯组2b之间通过切换结构调整喷灯口朝向。
合成大直径光纤预制棒疏松体的装置的具体实施例一：切换结构具体为平移切换结构；平移切换结构包括平移框架9，平移框架9的前端两侧分别连接小口径喷灯组2a、大口径喷灯组2b，平移框架9的后端紧固有螺母10，伺服电机11的输出端外接有丝杆12，丝杆12螺纹套装于螺母10内；小口径喷灯组、大口径喷灯组的中心线间距a为两种喷灯平均口径的2.5～5倍，即a的取值范围为(2.5～5)×(D1+D2)/2。
合成大直径光纤预制棒疏松体的装置的具体实施例二：切换结构具体为旋转切换结构；旋转切换结构包括中心杆13、旋转框架，旋转框架包括中心套筒14、两根连接杆15，中心套筒15套装于中心杆13，两根连接杆15成角布置于中心套筒15的外环面，两根连接杆15径向布置于中心套筒14的外环面，中心套筒14的内环面和中心杆13的外环面通过键16确定圆周位置，中心杆13外接转动驱动装置(图中未画出，属于现有成熟连接结构)，两根连接杆15的长度相同。
下面通过一组实验具体描述本发明方法后的有益效果：
用OVD法制造光纤预制棒疏松体，反应原料SiCl4、可燃气体(一般为氢气、甲烷、丙烷)、助燃气体(氧气)、保护气体(一般为氧气或惰性气体)及载气(一般为氧气或惰性气体)通过供料、供气系统输送至喷灯2中。可燃气体由喷灯2喷出，在箱体8内燃烧，反应原料在火焰中发生水解反应和氧化反应，生成SiO2粉尘，部分粉尘沉积在起始棒1上形成光棒疏松体3，并逐渐长大，未沉积的SiO2粉尘由抽风口4排出。
在整个沉积过程中，起始棒由转动装置带动始终在转动，转速可根据需要进行调节，一般沉积前期转速较快(100～200转/分钟)，随着疏松体直径的增大，为了控制疏松体密度达到一定水平，以及避免出现螺旋纹，一般转速需逐渐降低(50～100rpm)。
整个沉积过程中，除起始棒始终在转动外，在起始棒轴向方向上，起始棒与喷灯始终存在相对移动，该相对移动可通过起始棒移动实现，也可通过喷灯移动实现，一般疏松体直径较小时，该相对移动速度较快(2000～10000mm/min)，随着疏松体直径的增大，同样为保证密度达到一定水平，以及避免出现螺旋纹，相对移动速度一般需逐渐降低(200～2000mm/min)。相对移动可以是喷灯从疏松体一端移至另一端，然后快速返回至原位，如此反复运动直至沉积结束。多喷灯沉积时，也可以按图6所示方式移动，有多个折返点，折返点在疏松体轴向上错开分布，避免出现直径不均匀和密度不均匀。
另外，随着疏松体直径的增大，喷灯会逐渐远离起始棒，但喷灯与沉积表面距离逐渐减小或保持不变。
实验一：采用如图1所示多喷灯沉积工艺，使用氢气作为可燃气体，氧气作为助燃气体和载气，氩气作为保护气体。原料和各气体由喷灯2喷出，反应生成的SiO2粉尘在起始棒1表面沉积形成疏松体3。起始转动速度180rpm，后逐渐降至80rpm；起始相对移动速度为4000mm/min，后逐渐降至1000mm/min；起始棒固定，喷灯相对起始棒往复移动，移动方式如图6所示。
仅使用一组喷灯2，喷灯口径为D0，沉积14小时。
制备的光棒疏松体最大直径326mm，平均密度0.446g/cm3。表面有螺旋波纹，波峰波谷高度差2mm。
实验二：采用如图2所示多喷灯沉积工艺，使用氢气作为可燃气体，氧气作为助燃气体和载气，氩气作为保护气体。原料和各气体由喷灯2喷出，反应生成的SiO2粉尘在起始棒1表面沉积形成疏松体3。起始转动速度180rpm，后逐渐降至80rpm；起始相对移动速度为4000mm/min，后逐渐降至1000mm/min；起始棒固定，喷灯相对起始棒往复移动，移动方式如图6所示。
前阶段使用口径较小的喷灯2a沉积疏松体，疏松体直径为180mm时，按图4所示平移方式切换为口径较大的喷灯2b进行沉积。喷灯2a口径D1＝0.9D0，喷灯2b口径D2＝1.2 D0(D2/D1＝1.33)；喷灯组的中心线间距a为3.5*(D1+D2)/2。20秒内匀速完成平移。之后通过喷灯2b进行沉积，喷灯2a、喷灯2b完成的沉积时间总和为14小时。
制备的光棒疏松体最大直径340mm，平均密度0.534g/cm3，直径均匀。
与实验一制备的光棒疏松体相比，同样沉积时间，实验二制备的光棒疏松体直径增大14mm，如图7所示；重量增加30％，如图8所示。
实验三：采用如图1所示多喷灯沉积工艺，使用氢气作为可燃气体，氧气作为助燃气体和载气，氩气作为保护气体。原料和各气体由喷灯2喷出，反应生成的SiO2粉尘在起始棒1表面沉积形成疏松体3。起始转动速度180rpm，后逐渐降至80rpm；起始相对移动速度为4000mm/min，后逐渐降至1000mm/min；起始棒固定，喷灯相对起始棒往复移动，移动方式如图6所示。
使用一组喷灯2，喷灯口径为D0。疏松体目标直径340mm。
制备的光棒疏松体平均密度0.414g/cm3。表面有螺旋波纹，波峰波谷高度差4mm。
根据沉积过程中直径和重量变化计算出光棒疏松体径向密度变化情况，结果显示实验二制备的光棒疏松体径向密度与实施例三制备的疏松体相比提高较多，直径越大提高越明显，如图9所示。
综上，采用本发明后，可确保沉积初期具有较高的沉积速率和粉尘收集率、同时确保在沉积后期直径较大时，疏松体具有足够高的密度，较高的沉积速率，且表面没有螺旋纹现象，可实现高效合成大直径光纤预制棒，既降低光棒制造成本，也降低后续拉制光纤的成本。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其技术方案是这样的：其通过外气相沉积法对起始棒进行表面逐层沉积并形成光纤预制棒母棒疏松体，喷灯相对于起始棒做轴向的往复运动，其特征在于：在沉积前阶段使用小口径喷灯、口径为D1，在沉积后阶段经过喷灯切换后使用大口径喷灯、口径为D2。
2.如权利要求1所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其特征在于：所述喷灯切换在所述光纤预制棒母棒疏松体的直径为目标直径1/2～2/3时进行，喷灯切换完成后小口径喷灯的喷口远离所述起始棒的外环面、小口径喷灯原料和气体逐渐关闭，大口径的喷灯的喷口朝向所述起始棒的外环面、进行喷射。
3.如权利要求2所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其特征在于：所述喷灯切换前，大口径喷灯的原料和气体流量调至稳定状态。
4.如权利要求1所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其特征在于：所述D2/D1＝1.2～2，具体数值与期望制备的光纤预制棒母棒疏松体的目标直径有关,目标直径越大,D2/D1的值越大。
5.如权利要求1所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其特征在于：所述喷灯切换是两组喷灯之间平行移动完成切换。
6.如权利要求1所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的方法，其特征在于：所述喷灯切换是两组喷灯之间以旋转方式完成切换。
7.一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置，其包括喷灯、抽风口、夹具、引杆、转动装置、箱体，所述箱体的内部两端分别布置有夹具，所述夹具通过所述引杆分别连接有所述转动装置，所述箱体的一侧设置有抽风口，所述箱体的内部布置有喷灯，起始棒的两端分别装于两端的所述夹具内，其特征在于：所述喷灯包括两组喷灯口直径不等的喷灯，分别为小口径喷灯组、大口径喷灯组，小口径喷灯组、大口径喷灯组的喷灯口不同时朝向所述起始棒的外环面，同一组喷灯内的喷灯的沿着起始棒的轴向顺次布置，同一组喷灯组的喷灯的喷灯口的朝向互相平行，小口径喷灯组、大口径喷灯组之间通过切换结构调整喷灯口朝向。
8.如权利要求7所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置，其特征在于：所述切换结构具体为平移切换结构；所述平移切换结构包括平移框架，所述平移框架的前端两侧分别连接所述小口径喷灯组、大口径喷灯组，所述平移框架的后端紧固有螺母，伺服电机的输出端外接有丝杆，所述丝杆螺纹套装于所述螺母内。
9.如权利要求7所述的一种合成大直径光纤预制棒疏松体的装置，其特征在于：所述切换结构具体为旋转切换结构；所述旋转切换结构包括中心杆、旋转框架，所述旋转框架包括中心套筒、两根连接杆，所述中心套筒套装于所述中心杆，两根所述连接杆成角布置于所述中心套筒的外环面，两根所述连接杆径向布置于所述中心套筒的外环面。
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