CN105929503B - 一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法，该光缆由内往外依次包括光纤、松套绕包缓冲层、加固缓冲层、增强纤维层和外护层，光纤与松套绕包缓冲层之间有一个供光纤伸缩的自由活动空间，制作方法采用独创的光纤松套绕包技术，使得光纤可以在绕包层内自由滑动，然后在松套绕包缓冲层外采用特种硬质固化涂层或薄壁挤塑的方式形成硬质复合加固缓冲层，接着在加固缓冲层外采用较少股数的高强芳纶纤维增强后，最后挤制氟外护套。本发明能有效降低弯曲、高低温、机械等应力对光纤的影响，保证光纤与缓冲层间结构易分离，后续接头加工时光纤不易受缓冲层剥离影响，且可靠性高，外径细，重量轻，柔性好，热诱导衰减变化小，抗辐照，耐宽温。

Description

一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法

技术领域：

本发明属于光纤通信技术领域，具体讲是一种可满足低损耗、细径(≤1.2mm)、耐辐照、耐高低温等宇航适应性要求，应用于航天飞行器光纤通信设备内部点对点信号及组网传输的松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法。

背景技术：

目前，抗辐照光缆已广泛和深入用于宇航领域，受航天器光纤通信设备体积、尺寸和重量的限制，对作为实现关键传输通道的光缆的综合特性提出较高要求。尽可能在保证机械强度、高低温适应性、抗辐照等宇航适应性的前提下，一是降低尺寸和重量；二是提升光纤在后续组件制作中的剥离、耦合等应用可靠性；三是同时提高光缆的柔性，便于实现更小安装空间或弯曲半径下的布线；四是采用特殊结构适应更宽温度范围下的应用场合。此外，采用小尺寸的光缆可进一步降低配套连接头的尺寸和重量。

大家知道，电缆一般直接采用四氟乙烯带或聚酰亚胺带通过紧包的方式缠绕在电线芯上，电线受缠绕张力范围较宽，传输性能影响较小，后续直接通过高温烧结固化成型，成型温度至少在300～400多度。而宇航用光缆所用抗辐照光纤与电线差异较大，光缆设计时光纤应尽可能少受到绕包张力或材料高低温收缩变形等综合应力的影响，且光缆不能经受如此高的烧结温度，极易破坏光纤涂层，会使光纤涂层老化或焦化失效。目前宇航用光缆有两种结构，一是采用细径紧包缓冲技术，即直接在光纤外挤塑一层薄壁缓冲层，实现较小缓冲层尺寸，这种技术途径对工艺控制精度要求很高，一般适用于宇航条件下采用的薄壁缓冲材料多为氟塑料；二是采用涂覆缓冲型，即在光纤外涂覆一层光或热固化的薄壁涂层，降低缓冲层和光缆整体尺寸。

前述细径紧包缓冲技术，工艺速度较快，连续长度制作时极易产生露纤、脱料等缺陷。另外，光纤与紧包层之间结合较为紧密，剥离工艺难度大，剥离时光纤会受到一定剥离应力，操作不好光纤易受到机械损伤，引起表面裂痕或引起特种抗辐照光纤直接断裂等，宇航应用中可靠性会相对降低。此外，由于紧包缓冲层较薄，伸长率较大，后续受到拉伸等应力时光纤保护不好易受到变形，抗压等条件下光纤受到的保护较标准紧包光纤可靠性低，在高低温下材料收缩同样易引起变形。

前述涂覆缓冲技术途径，是在0.25mm光纤外经至少二次涂覆固化形成厚涂层，对于耐高温光纤而言，多次耐高温涂层涂覆固化会引起光纤损耗增加，多层涂覆后会存在层间应力，固化后光纤整体变硬变脆。此外，工序制作复杂，成本较高。对于宇航应用而言，多次涂覆会带来涂层真空持续释气问题，释放出小分子材料，将直接引起端面污染，影响光学器件精度和舱内环境安全性。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够有效降低弯曲、高低温、机械等应力对光纤的影响，保证光纤与缓冲层间结构易分离，后续接头加工时光纤不易受缓冲层剥离影响，可靠性高，外径细，重量轻，柔性好，热诱导衰减变化小，抗辐照，耐宽温的松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，该光缆由内往外依次包括光纤、增强纤维层和外护层，其中，光纤与增强纤维层之间还设置有松套绕包缓冲层和硬质复合加固缓冲层，光纤与松套绕包缓冲层之间有一个供光纤伸缩的伸缩的自由活动空间。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，光纤可为抗辐照单/多模光纤。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，松套绕包缓冲层可采用柔性、低密度、低膨胀系数四氟乙烯薄膜。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，加固缓冲层可为薄壁加固层或硬质固化涂层。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，薄壁加固层可为一层薄壁的氟塑料。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，硬质固化涂层可为一层模数高、耐高低温性能宽的硬质紫外光或热固化薄壁涂层。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，增强纤维层可由高强高模非金属连续增强纤维编织成均匀致密的网状结构。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其中，松套绕包缓冲层的壁厚可为50um～75um，加固缓冲层的壁厚可为50um～75um。

本发明还提供了一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

①、首先在光纤外，在光纤轴向牵引的同时，将具有一定自粘性的柔性低密度低膨胀系数薄膜绕包，通过主动释放和精确的张力和速度控制，实现薄膜绕包后在光纤外直接形成类似松套结构的松套绕包缓冲层，使光纤在薄膜绕包套管内具有供光纤伸缩的自由活动空间；

②、绕包缓冲后，接着在松套绕包缓冲层外挤塑一层薄壁加固层或涂覆一层光或热固化的硬质固化涂层作为加固缓冲层；

③、然后在加固缓冲层外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形成均匀致密的网状结构的增强纤维层；

④、最后在增强纤维层挤制一层薄壁耐高低温的氟外护层，形成成品光缆。

优选地，本发明所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作方法，其中，步骤①中，在放线、绕包处采用光纤防抖动装置，保证光纤绕包时不发生抖动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过采用柔性松套绕包、加固的方式，实现光缆细径、柔性、轻便的特性，用于航天器光纤通信设备，有效降低整体重量，柔性结构便于布放施工。

2、本发明光缆除尺寸小、重量轻外，光纤因与缓冲层之间为松套绕包结构，通过二次加固后，后续成缆工序中可保证光纤所受应力极小，松套绕包及加固层对光纤有效缓冲外界的弯曲、高低温、机械等应力，实现宽温度范围应用。

3、本发明中的光纤在薄膜绕包套管内具有一定的伸缩空间，后续成缆工序中绕包缓冲层会起到高温隔绝作用，在热胀冷缩时有较好的缓冲，光纤受到应力极小，避免光纤在宽温范围下损耗剧增。同时光纤在后续接头制作时极易与缓冲层剥离，后续接头加工时光纤不易受缓冲层剥离影响，可靠性较高，最终外径可控制在1.2mm以内。

附图说明：

图1为本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的截面图；

图2为本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的结构示意图；

图3为本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆及其制作方法作进一步详细说明：

如图1和2所示，本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，该光缆由内往外依次包括光纤1、松套绕包缓冲层2、硬质复合加固缓冲层3、增强纤维层4和外护层5，光纤1与松套绕包缓冲层2之间有一个供光纤1伸缩的伸缩空间6。本发明中的光纤1为抗辐照单/多模光纤。本发明中的松套绕包缓冲层2采用柔性、低密度、低膨胀系数四氟乙烯薄膜，如LLDPTFE、ePTFE、unsintered PTFE。本发明中的加固缓冲层3为薄壁加固层或硬质固化涂层，其中，薄壁加固层为一层薄壁的氟塑料，如PFA、ETFE、FEP，硬质固化涂层为一层模数高、耐高低温性能宽的硬质紫外光或热固化薄壁涂层，如PI、TPI、有机-无机杂化涂层。本发明中的增强纤维层4由高强高模非金属连续增强纤维编织成均匀致密的网状结构，这种高强高模非金属连续增强纤维为芳纶纤维、玻璃纤维、聚酰亚胺纤维。本发明中的外护层5为一层薄壁耐高低温的氟外护层，如PFA、FEP、ETFE。在本发明中，松套绕包缓冲层2的壁厚为50um、55um、60um、65um、70um或75um，加固缓冲层3的壁厚为50um、55um、60um、65um、70um或75um。

如图3所示，本发明一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作方法包括以下步骤：

步骤1、首先在光纤1外，在光纤1轴向牵引的同时，将具有一定自粘性的柔性低密度低膨胀系数薄膜绕包，通过主动释放和精确的张力和速度控制，实现薄膜绕包后在光纤1外直接形成类似松套结构的干式松套绕包缓冲层2，使光纤1在薄膜绕包套管内具有供光纤1伸缩的自由活动空间6。

在松套绕包缓冲层2制作过程中，光纤1作为松套绕包的“中心轴线”，应以合适的放线张力和防抖动装置，保证绕包时光纤1不发生抖动，保持在中心线位置，避免偏移引起松套绕包缓冲层2变形、褶皱或松垮。因薄膜绕包时是靠自身主动恒速放线并依托薄膜自身粘附特性形成松套管，光纤有一定的余长，薄膜放线时的张力、速度、绕包转速、绕包节距必须和光纤尺寸、放线张力、牵引速度相匹配，选用高低温下稳定性好的薄膜材料，才能保证松套层的结构圆整、外径均匀、合适的光纤余长和高低温下结构稳定。

松套绕包缓冲层2制作中的关键包括三点：一是采用利于成型的柔性低密度、低膨胀系数薄膜；二是采取光纤防抖动装置、薄膜主动牵引释放装置、恒张力磁质控制装置；三是合适匹配的光纤及薄膜放线张力、绕包节距、绕包转速、薄膜牵引速度等。

采用低膨胀系数、低收缩绕包薄膜材料，降低松结构高低温下的热胀冷缩效应，同时松结构允许光纤移动从而减轻后续连接器制作处向后方的压力。这种压力能对光纤1产生明显的应力引起信号损失和机械损伤。在绕包过程中，膜强度过大，材料顺应性不好，会导致产生较大扭力。因此所用薄膜的强度和拉伸特性有特殊要求。

为了防止光纤1抖动对松套绕包层的扰动，在放线、绕包等处采用防抖动夹持装置，保证光纤1沿着轴向牵引稳定，波动较小。通过薄膜主动牵引并以合适的速度释放，绕包节距优化调节，保证缓冲层成型外径均匀一致，结构稳定。通过张力、速度和节距匹配，有效避免松套缓冲层松散、变形、扭曲等问题，实现既确保缆芯整体结构的稳定性，又能降低高低温下对光传输性能的影响。

步骤2、绕包缓冲后，接着在松套绕包缓冲层2外挤塑一层薄壁加固层或涂覆一层光或热固化的硬质固化涂层作为硬质复合加固缓冲层3。

松套绕包后的薄膜易受到变形，且直接用于后续增强工序，会导致在纤维增强层内变形和松散。同时松套绕包缓冲层仅仅依靠自身薄膜分子间作用力实现粘附成型，不适合采取电线等高温烧结的方式，会破坏光纤的涂覆层。因此，不进行固化处理会引起薄膜松散。为固化松套绕包结构，需在松套柔性层外加固。加固的方式可采取两种：一是可在绕包后，采用小放线张力在保证松套层不变形的前提下，挤塑一层薄壁(单边50um～75um)的氟塑料，通过氟塑料的合理工艺参数控制、牵引和冷却方式，实现加固缓冲层制作；二是可在绕包后直接采取涂覆一层模量相对较高，耐高低温性能较宽的硬质紫外光或热固化薄壁涂层，通过合适的涂覆材料、涂覆固化温度等因素的控制，实现加固。

对于二次涂覆加固而言，关键点就是耐宽温涂覆材料的选择，需采用模量相对较高或具有类似有机－无机杂化特性的光或热固化涂层。对于薄壁挤塑而言，需采取小型挤塑设备，采用空气结合均匀水冷的特殊冷却方式，降低后收缩，提升成型结构的尺寸稳定性。

步骤3、然后在加固缓冲层3外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形成均匀致密的网状结构的增强纤维层4；

步骤4、最后在增强纤维层4挤制一层薄壁耐高低温的氟外护层5，形成成品光缆。

在本发明中，光缆耐宽温一是优选合适的耐温成缆材料，二是通过光纤余长控制保证高低温下光纤状态的稳定。

收线光缆的各种材料工作温度范围均满足设计要求。其次在光纤上包覆关键的具有高低温隔绝和外作用力吸收等的功能性绕包缓冲材料。这种材料在长期温度下，其收缩率小于万分之五，因此可确保缓冲层结构的稳定性。

结构余长的控制通过光纤放线张力、牵引速度和薄膜释放张力和速度来实现。薄膜释放速度恒定时，光纤放线张力过小，易在绕包层内形成弯曲状态，引起余长增加。余长过大会引起成缆损耗和高低温下光缆护层等材料收缩造成的微弯损耗增加。因所选用的薄膜材料膨胀系数与光纤匹配，具有低收缩的特性，因此必须通过张力和速度的控制降低成缆损耗和结构余长。

本发明通过独特的柔性松套绕包缓冲的方式，优化选用低膨胀系数、低收缩光纤绕包缓冲薄膜，通过特殊的二次成型加固等技术途径，绕包节距、工艺速度等多参数优化控制，使得光缆成缆损耗低，高低温下衰减稳定性得到有效控制。本发明能有效降低弯曲、热应力对光纤的影响，为细径、柔性宇航用光缆的研制开辟了一条独特的技术途径，有效避免传统紧包缓冲、涂覆缓冲类耐辐照光缆存在的缺陷，具有外径细(≤1.2mm)、柔性好、重量轻、热诱导衰减变化小、抗辐照(≥200Krad(Si))和耐宽温(-65℃～150℃)等优点。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，该光缆由内往外依次包括光纤(1)、增强纤维层(4)和氟外护层(5)，其特征在于：所述光纤(1)与增强纤维层(4)之间还设置有松套绕包缓冲层(2)和硬质复合加固缓冲层(3)，所述光纤(1)与松套绕包缓冲层(2)之间有一个供光纤(1)伸缩的自由活动空间(6)，松套绕包缓冲层(2)采用柔性、低密度、低膨胀系数四氟乙烯薄膜，所述松套绕包缓冲层(2)的壁厚为50um～75um，所述硬质复合加固缓冲层(3)的壁厚为50um～75um。

2.根据权利要求1所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其特征在于：所述光纤(1)为抗辐照单/多模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其特征在于：所述硬质复合加固缓冲层(3)为薄壁加固层或硬质固化涂层。

4.根据权利要求3所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其特征在于：所述薄壁加固层为一层薄壁的氟塑料。

5.根据权利要求3所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其特征在于：所述硬质固化涂层为一层模数高、耐高低温性能宽的硬质紫外光或热固化薄壁涂层。

6.根据权利要求1所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆，其特征在于：所述增强纤维层(4)由高强高模非金属连续增强纤维编织成均匀致密的网状结构。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作方法，其特征在于：该制作方法包括以下步骤：

①、首先在光纤(1)外，在光纤(1)轴向牵引的同时，将具有一定自粘性的柔性低密度低膨胀系数薄膜绕包，通过主动释放和精确的张力和速度控制，实现薄膜绕包后在光纤(1)外直接形成类似松套结构的松套绕包缓冲层(2)，使光纤(1)在薄膜绕包套管内具有一个供光纤(1)伸缩的自由活动空间(6)；

②、绕包缓冲后，接着在松套绕包缓冲层(2)外挤塑一层薄壁加固层或涂覆一层光或热固化的硬质固化涂层作为硬质复合加固缓冲层(3)；

③、然后在硬质复合加固缓冲层(3)外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形成均匀致密的网状结构的增强纤维层(4)；

④、最后在增强纤维层(4)挤制一层薄壁耐高低温的氟外护层(5)，形成成品光缆。

8.根据权利要求7所述的一种松套绕包加固缓冲型柔性耐辐照光缆的制作方法，其特征在于：步骤①中，在放线、绕包处采用光纤防抖动装置，保证光纤(1)绕包时不发生抖动。

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