CN104730660B - 多芯抗辐照光缆及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯抗辐照光缆及其制造工艺。光缆包括多芯加固光单元、增强纤维层和外护层，多芯加固光单元外部包覆增强纤维层，增强纤维层外部包覆外护层；多芯加固光单元由多根光单元以填芯为芯线绞合而成，每根光单元均以一定的绞合节距绕制在填芯上，并经细旦扎纱加固；光单元由光纤、耐高低温涂层、缓冲层组成，光纤外部涂覆耐高低温涂层，耐高低温涂层外部包覆缓冲层。本发明光缆具有外径小、重量轻、抗弯曲和光传输性能良好、易于工程应用、多光纤传输一致性良好等特点，适用于宇航环境下的高速大容量数据传输。

Description

多芯抗辐照光缆及其制作工艺

技术领域

本发明涉及光纤光缆领域，特别是涉及一种宇航用多芯抗辐照光缆及其制作工艺。

背景技术

在航天器内，光纤作为一种实现高速大容量数据传输的媒质，用于外部信号、音频、视频等的传输，可有效简化组件结构的设计，降低载荷重量和尺寸，满足实时数据传输的要求。将多根光纤经缓冲保护集成为多芯光单元，成缆后制作成多芯光缆，将有利于实现空间高速信息传输设备多路并行传输，达到通信设备小型化、轻型化和高度集成化的要求，并可降低连接器接头尺寸，易于实现光纤通信设备狭小空间下的布局布线。因应用于宇航环境，对多芯光缆的抗辐照、尺寸自重、耐高低温、耐热真空、毒性、粒子防护等特性有着特殊要求，其制作工序也较为复杂。

目前，宇航用多芯光缆部分采用多根单芯光缆铠装集成的方式制作。铠装集成的方式是先将单个的光单元经缓冲保护、增强和外护套挤塑成单芯抗辐照光缆，再将多根这样的光缆加装铠装管后集成。单芯抗辐照光缆较光单元外径增加很多，致使铠装集成后多芯光缆外径偏大。通常情况下，防护后的单芯抗辐照光缆外径约1.8mm，若实现8根左右的多芯捆绑，外径至少会达到5mm左右。

另一类宇航用多芯光缆是将多根缓冲后的光单元集成后，为了成型结构稳定，通过挤制内护层将多芯光单元加固，增强后再制作外护层。内护层制作途径是需要在多芯光单元绞合后额外挤塑一层内护套，内护套单边壁厚至少需要0.15mm，这样也会直接增加光缆的外径和重量；采用内护层的制作方式，光纤的弯曲等状态下均会受到相对较硬的耐高温内护层的约束，影响弯曲性能和光学性能；内护层材料为耐高低温材料，高低温条件下收缩较大，会对多芯绞合光单元产生较大应力，高低温下引起附加损耗较高，对光学性能也产生影响；此外，后续制作连接器件以及工程应用中，采用内护层的方式需要额外将内护层剥离方可进行光纤后续制作，工序操作相对复杂。

多芯光单元方面，目前制作中多采取中心束管或裸光纤并束等方式。中心束管式多芯光单元，其制作时是将多根光纤同时放线，同时填充油膏等填充物，以控制光纤在松套管中的余长并避免发生粘连。在宇航环境下，束管中的填充物难以满足高低温环境要求，且在真空下会挥发，造成污染。因此宇航用光缆不允许填充油膏等填充物。而干式松套管及束管中不填充任何物质，仅有光纤存在，但光纤在这种束管中的余长及内径均匀性很难控制，特别是多根光纤状态难以一致，且所用的耐高温束管材料极易损伤光纤，存在工艺损耗高和高低温下光纤衰减一致性差等缺点。采用多根裸光纤并束的方式制作的多芯光单元，裸光纤需同时并行放线，同时需挤制缓冲层或束缚固定成型后，才能形成多芯光单元。此种工艺制作的多芯光缆光纤一致性相对较差，在长期弯曲或极端高低温条件下，光纤所受到应力不同，各根光纤之间衰减常数一致性相对较差。

发明内容

本发明提供了一种多芯抗辐照光缆及其制作工艺，解决了目前多芯抗辐照光缆外径大、重量重、抗弯曲和光传输性能较差、工程应用不够简便以及多光纤传输一致性差等方面的不足。

本发明的技术方案如下：

一种多芯抗辐照光缆，包括增强纤维层、外护层，增强纤维层外部包覆外护层，还包括多芯加固光单元，其外部包覆增强纤维层；多芯加固光单元由多芯绞合光单元经细旦扎纱加固而成，多芯绞合光单元外部包覆细旦纱线；多芯绞合光单元由多根光单元以一定的绞合节距绕制在填芯上而成；光单元由抗辐照光纤、耐高低温涂层、缓冲层组成，抗辐照光纤外部涂覆耐高低温涂层，耐高低温涂层外部包覆缓冲层。

作为优选方案，细旦扎纱加固采用单根扎纱的方式，单根细旦纱线以一定节距呈螺旋绕的方法饶于多芯绞合光单元外部。

作为优选方案，单根扎纱材料是芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维。

作为优选方案，所述光纤为小模场直径HTA型抗辐照光纤。

作为优选方案，缓冲层材料是四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物。

作为优选方案，填芯是氟填芯、环氧树脂固化玻纤填芯、环氧树脂固化芳纶填芯。

作为优选方案，耐高低温涂层材料是丙烯酸聚酯、聚酰亚胺、耐高低温硅树脂。

作为优选方案，增强纤维层材料是芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维。

作为优选方案，外护层材料是四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物。

一种多芯抗辐照光缆的制作工艺，包括以下步骤：

(1)将抗辐照光纤表面涂覆耐高低温涂层；

(2)将涂覆后的抗辐照光纤进行高温紧包缓冲挤塑成型，制成高温缓冲光单元；

(3)将多根高温缓冲光单元绞合，同时在线对绞合后的多芯光单元扎纱加固，制成多芯加固光单元；

(4)将增强纤维均匀致密地编织在多芯加固光单元的外围；

(5)通过外护层挤出的方式，将外护套在增强纤维和多芯加固光单元的外围挤塑成型。

本发明的有益效果是：本发明光缆外径小、重量轻、抗弯曲和光传输性能良好、易于工程应用、多光纤传输一致性良好，且能并满足宇航特殊环境要求。

附图说明

图1为多芯抗辐照光缆结构图

图2为多芯加固光单元结构图

图3为多芯抗辐照光缆制作工艺图

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，并对多芯抗辐照光缆的特点及其原理进行详细说明。

本实施例多芯抗辐照光缆结构示意如图1所示，抗辐照光纤1涂覆耐高低温涂层2，并包覆缓冲层3形成光单元；多芯绞合光单元8由8根光单元以多芯绞合光单元一定的绞合节距绕制在填芯4上而成。多芯加固光单元结构图结构如图2所示，单根细旦纱线7以一定节距呈螺旋绕的方法饶于多芯绞合光单元8外部形成多芯加固光单元。多芯加固光单元外部包覆增强纤维层5，增强纤维层5外部包覆外护层6。

本实施例通过独特的柔性多芯耐高低温氟缓冲光单元绞合集成和细旦纤维在线扎纱加固的方式，优化选用光纤缓冲层与光纤涂层材料、增强材料和外护套材料等高低温性能接近的材料，通过高温紧包缓冲、细径绞合、在线扎纱加固、编织增强、薄壁氟外护层挤塑等技术途径，并合理绞合节距、编织节距等工艺参数，实现发明目的。

按照图3多芯抗辐照光缆制作工艺流程：

第一步：抗辐照光纤1为小模场直径HTA型光纤；其涂覆的耐高低温涂层2材料为丙烯酸聚酯、聚酰亚胺、耐高低温硅树脂；缓冲层3为高温氟紧包缓冲层，其材料为PFA(四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)。光纤涂覆所采用固化方式可以为热固化和紫外光固化：丙烯酸聚酯、耐高低温硅树脂采取紫外光固化的方式成型，固化成型后外径为0.250mm；聚酰亚胺涂层采用热固化的方式成型，固化成型后外径典型为0.155mm。

第二步：涂覆后的抗辐照光纤进行高温紧包缓冲挤塑成型。

第三步：缓冲后的多根光纤单元通过与特种航天用填芯4(如氟填芯、环氧树脂固化玻纤填芯、环氧树脂固化芳纶填芯)绞合、细旦纤维(如芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维)在线扎纱加固的方式形成多芯光单元。

第四步：编织多股具有耐辐照、耐高低温特性的高强高模非金属连续增强纤维(如芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维)形成均匀致密的网状增强层5。

第五步：挤制一层薄壁耐高低温的氟外护层6，其材料为PFA(四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)，制作成多芯抗辐照光缆，形成成品光缆。

所制造的多芯抗辐照光缆具有以下特点：

1.所采用的细径耐高低温缓冲光纤仅为0.5mm，而常规缓冲光纤一般为0.8mm以上。目前常规内护套单边壁厚至少需要0.15mm，而本发明则不再挤塑这层内护套，所用纱线外径仅有0.05mm以内，重量几乎可以忽略，经过在线加固后，能有效降低绞合后多芯光单元的外径和重量，这对航天器件而言非常宝贵，同时所采用的细旦纱线同样具有耐辐照、耐高低温的特点，可满足宇航要求。

2.抗弯曲性能方面，首先在光单元设计上采用了小模场直径HTA型抗辐照光纤，具有可与普通单模光纤兼容、耐高温、抗弯曲等特点，在弯曲半径为10mm时，弯曲附加损耗不超过0.1dB，保证光纤在小弯曲条件下具有较低的传输损耗；其次在光纤缓冲层结构上采用柔性耐高低温氟缓冲材料，通过柔性纤维均匀增强及柔性护套挤塑工艺提升了光缆结构的整体性，从而提高了缆整体的抗弯曲性；最重要的是通过多芯细径缓冲光纤绞合、加固技术，扎纱方式更为灵活，多芯光单元制作中可以采用较大的绞合节距和扎纱节距，形成柔性的加固结构，提升缆芯整体结构的一致性和稳定性，最大程度上保护光纤弯曲时不受到大的应力影响，并保证光纤的附加光损耗保持在一个很低的范围。

3.传统内护层材料为耐高低温材料，高低温条件下收缩较大，会对多芯绞合光单元产生较大应力，高低温下引起附加损耗较高。而本实施例采用扎细旦纱线方式，绞合后的多芯光单元处于相对自由状态，不受挤塑内护层这种方式的约束，纱线对多芯绞合光单元影响极小，既起到保护结构稳定性，同时不影响光性能传输。此外，采用细旦纱线扎纱方式，多芯绞合光单元与增强纤维编织层之间非紧密式的接触，可以形成有效的缓冲空间，保证高低温条件下结构中各元件存在相对运动的空间，高低温下对光纤产生的应力可以通过自由活动空间有效释放，不会对光学性能产生影响。

4.光缆后续制作连接器件以及工程应用中，采用内护层的方式需要额外将内护层剥离方可进行光纤后续制作，工序操作相对复杂，而采用纱线的方式，则无需进行，纱线极易分开。

5.将多根裸光纤进行细径紧包缓冲保护后，直接通过绞合的方式，形成多芯光单元，每根紧包缓冲光纤均以一定的绞合节距绕制在中心填充线上，所受应力极小且弯曲状态一致性好。同时通过细旦纤维在线扎纱加固的方式，在绞合进行的同时直接扎纱加固，无需制作内护层，可有效保证多芯光单元不会发生松散，成型后结构稳定性得到有效保证，工艺附加损耗一致性和高低温下衰减常数一致性得到有效控制。

6.通过优化选用耐高温性能优异的原材料，其温度范围均可满足-100℃～150℃的宇航级要求，且所选增强纤维材料具有负的热膨胀系数，可与其它材料正膨胀系数产生的应力相互抵消，有效保护光纤在极端低温下的应力造成的微弯损耗，保证光缆结构在高低温下的稳定性问题。

经测试表明，本实施例多芯抗辐照光缆具有衰减常数低(α_1310nm≤0.5dB/km)、外径细(8芯≤2.8mm)、多芯衰减一致性好(衰减常数一致性控制在±5％以内)、弯曲性能好(弯曲半径≤100mm)、抗辐照(≥200Krad(Si))和耐极端高低温(-100℃～150℃)等优点，且满足热真空、真空释气和材料毒性等宇航应用条件。

Claims (7)

1.一种多芯抗辐照光缆，包括增强纤维层、外护层，增强纤维层外部包覆外护层，其特征在于，还包括多芯加固光单元，其外部包覆增强纤维层；多芯加固光单元由多芯绞合光单元经细旦扎纱加固而成，多芯绞合光单元外部包覆细旦纱线；多芯绞合光单元由多根光单元以一定的绞合节距绕制在填芯上而成；光单元由抗辐照光纤、耐高低温涂层、缓冲层组成，抗辐照光纤外部涂覆耐高低温涂层，耐高低温涂层外部包覆缓冲层，细旦扎纱加固采用单根扎纱的方式，单根细旦纱线以一定节距呈螺旋绕的方法绕于多芯绞合光单元外部，单根扎纱材料是芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维，所述光纤为小模场直径HTA型抗辐照光纤。

2.如权利要求1所述的多芯抗辐照光缆，其特征在于：缓冲层材料是四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物。

3.如权利要求1所述的多芯抗辐照光缆，其特征在于：填芯是氟填芯、环氧树脂固化玻纤填芯、环氧树脂固化芳纶填芯。

4.如权利要求1所述的多芯抗辐照光缆，其特征在于：耐高低温涂层材料是丙烯酸聚酯、聚酰亚胺、耐高低温硅树脂。

5.如权利要求1所述的多芯抗辐照光缆，其特征在于：增强纤维层材料是芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维。

6.如权利要求1所述的多芯抗辐照光缆，其特征在于：外护层材料是四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物。

7.权利要求1所述的多芯抗辐照光缆的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将抗辐照光纤表面涂覆耐高低温涂层，所述光纤为小模场直径HTA型抗辐照光纤；

(2)将涂覆后的抗辐照光纤进行高温紧包缓冲挤塑成型，制成高温缓冲光单元；

(3)将多根高温缓冲光单元绞合，同时在线对绞合后的多芯光单元扎纱加固，制成多芯加固光单元，细旦扎纱加固采用单根扎纱的方式，单根细旦纱线以一定节距呈螺旋绕的方法绕于多芯绞合光单元外部，单根扎纱材料是芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维；

(4)将增强纤维均匀致密地编织在多芯加固光单元的外围；

(5)通过外护层挤出的方式，将外护套在增强纤维和多芯加固光单元的外围挤塑成型。