CN107311444B - 光纤预制棒的挤压装置和制备方法 - Google Patents

光纤预制棒的挤压装置和制备方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤预制棒的挤压装置和制备方法，通过设计的挤压配件配合挤压模具，实现玻璃成型和预制棒的挤压连贯进行。本发明挤压装置简单，并且减少了在制备预制棒过程中杂质的引入，能够大大缩短挤压法制备预制棒的时间，在挤压过程中无需电加热丝或者电炉维持模具温度，避免了芯包界面被污染，同时可以调控预制棒纤芯的尺寸。

Description

光纤预制棒的挤压装置和制备方法
技术领域
本发明涉及光纤预制棒，特别是一种光纤预制棒的挤压装置和制备方法。
背景技术
中红外光纤在大气通信、生物医疗、红外对抗等领域有着十分重要的应用。目前，中红外光纤主要分为碲酸盐光纤，氟化物光纤和硫化物光纤三类。光纤预制棒的制备是光纤制备的重要环节，其决定了光纤的纤芯和包层的相对尺寸，同心度等关键结构参数，同时影响光纤的损耗。
目前石英光纤预制棒主要利用化学气相沉积法制备，而多组分光纤预制棒则是多用管棒法、浇筑法和挤压法等制备。中红外玻璃容易析晶，并且机械强度低，而挤压法制备预制棒操作温度较低，适合制备易挥发和易析晶的玻璃预制棒。
专利UK1194386介绍了一种利用钠钙硅玻璃进行了挤压，制备了包层和纤芯结构的预制棒的方法。专利EP0420239A1介绍了一种挤压法制备非氧化物的光纤预制棒的装置和方法，该方法是分别制备包层和纤芯玻璃块材，对它们进行研磨抛光处理，再叠放进挤压模具中进行挤压，制备出光纤预制棒。专利US005308371A介绍了一种挤压法制备氟化物光纤预制棒的方法，该方法是在包层玻璃圆柱体上面浇纤芯玻璃，使得纤芯和包层玻璃形成上下结构的一个玻璃圆柱体，再对玻璃圆柱体进行切割加工，然后放进挤压模具中进行挤压，制备出光纤预制棒。
上面提及的预制棒制备方法，都是需要先制备好玻璃块材，对玻璃进行切割或者抛光等加工处理，然后再放进模具中在一定的温度下进行挤压制备光纤预制棒。上述挤压法制备预制棒的方法有以下几个缺点：
第一，在对玻璃进行加工的过程中易引入杂质，这样会增加所制得光纤的损耗；
第二，先制备玻璃块材，然后再放进模具中挤压会使得制备过程复杂，效率低且挤压的重复性不好；
第三，为保持挤压过程在一定的温度下进行，则需要电加热丝或者电炉等加热装置，使得整个挤压装置更为庞大、复杂。
发明内容
本发明针对现有的挤压法制备光纤预制棒的不足，根据低损耗中红外光纤的需求，提供一种光纤预制棒的挤压装置和制备方法。该方法制备预制棒所需时间短，挤压装置简单，并且减少了在制备预制棒过程中杂质的引入。通过预制棒成型区的直径和长度的改变，可以调控预制棒纤芯的尺寸。
本发明的技术解决方案：
一种光纤预制棒的挤压装置，其特点在于包括挤压模具和挤压配件，所述的挤压模具的上、中、下三部分分别称为压头、玻璃成型区和预制棒成形区，所述的玻璃成型区和预制棒成形区均由共轴的2瓣相连构成，所述的玻璃成型区的内腔的直径与所述的压头的外径相同，所述的玻璃成型区的底部的出口的直径与所述的预制棒成形区的内径相同，所述的预制棒成形区的直径大小决定光纤预制棒的尺寸；
所述的挤压配件是一个圆柱体，其直径比所述的预制棒成形区的内径略小。
利用上述挤压装置制备光纤预制棒的方法，该方法包括以下几个步骤：
1)利用铜丝或弹簧将所述的挤压配件卡在所述的预制棒成型区的入口，使所述的挤压配件的上端和预制棒成型区的最上端平齐，将所述的压头置于所述的玻璃成型区，然后将挤压装置放入电炉中保温220℃～350℃2h；
2)利用高温熔融法同时熔制纤芯玻璃液和包层玻璃液；
3)将挤压装置从电炉中拿出，取出所述的压头；
4)将包层玻璃液从熔融炉中拿出，放置20～40s，将包层玻璃液倒入所述的玻璃成型区等待10～15s；把纤芯玻璃液从熔炉中拿出，放置20～40s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃表面；等待20～40s，然后将压头放在纤芯玻璃表面，然后将挤压装置转移到压机上；所述的纤芯玻璃液和包层玻璃称为玻璃坯料；
5)启动压机通过所述的压头对所述的玻璃坯料进行挤压，挤压压强为20～40MPa，挤压速度10cm/min，在压机的挤压下，挤压配件会很快被挤压出模具，待所述的玻璃坯料挤出所述的玻璃成型区后，关闭压机，并将所述的挤压装置转移到电炉中，退火3小时后，随炉降至室温；
6)小心拆开模具，取出制备好的预制棒。
本发明有益的效果是：
一)本发明挤压装置能够实现玻璃坯料的成型和玻璃挤压连贯进行，使得挤压法制备预制棒的时间大大减少，挤压效率增加。
二)因为芯层玻璃直接浇在尚未硬化成型的包层玻璃上表面，避免了芯包界面被污染，避免了玻璃加工处理所引入的杂质，从而减小最终制备光纤的损耗。
三)在挤压过程中不需要额外的加热装置，省去了电加热圈或者电炉，使得挤压装置大为简化。
四)通过调整纤芯玻璃和包层玻璃的质量，可以调控预制棒纤芯的尺寸。
附图说明
图1是本发明挤压模具的示意图。
图2是本发明挤压配件的正视图和仰视图。
图3是本发明制备光纤预制棒的流程图。
具体实施方式
为了更好得理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐述本发明的内容，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1图2，图1是本发明挤压模具的示意图。图2是本发明挤压配件的正视图和仰视图由图可见，本发明光纤预制棒的挤压装置，包括挤压模具和挤压配件，所述的挤压模具的上、中、下三部分分别称为压头1、玻璃成型区2和预制棒成形区3，所述的玻璃成型区2和预制棒成形区3均由2瓣共轴相连构成，所述的玻璃成型区2的内腔的直径与所述的压头1的外径相同，所述的玻璃成型区2的底部的出口的直径与所述的预制棒成形区3的内径相同，所述的预制棒成形区3的大小决定光纤预制棒的尺寸；
所述的挤压配件是一个圆柱体，其直径比所述的预制棒成形区3的内径略小。
2、利用权利要求1所述的挤压装置制备光纤预制棒的方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤：
1)利用铜丝或弹簧将所述的挤压配件卡在所述的预制棒成型区的入口，使所述的挤压配件的上端和预制棒成型区的最上端平齐，将所述的压头(1)置于所述的玻璃成型区(2)，然后将挤压装置放入电炉中保温；
2)利用高温熔融法同时熔制纤芯玻璃液和包层玻璃液；
3)将挤压装置从电炉中拿出，取出所述的压头(1)；
4)将包层玻璃液从熔融炉中拿出，放置20～40s，将包层玻璃液倒入所述的玻璃成型区(2)等待10～15s；把纤芯玻璃液从熔炉中拿出，放置20～40s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃表面；等待20～40s，然后将压头(1)放在纤芯玻璃表面，然后将挤压装置转移到压机上；所述的纤芯玻璃液和包层玻璃称为玻璃坯料；
5)启动压机通过所述的压头(1)对所述的玻璃坯料进行挤压，挤压压强为20～40MPa，挤压速度10cm/min，在压机的挤压下，挤压配件会很快被挤压出模具，待所述的玻璃坯料挤出所述的玻璃成型区(2)后，关闭压机，并将所述的挤压装置转移到电炉中，退火3小时后，随炉降至室温；
6)小心拆开模具，取出制备好的预制棒。
下面通过实施例说明利用本发明挤压装置制备光纤预制棒的方法，
实施例1
1)如图3中a图所示，利用一根30～40mm的铜丝，将铜丝的两头插到挤压配件4的两个孔里，然后旋转铜丝，使得下端的铜丝形成一个大于模具下部直径的环。然后将挤压配件和铜丝卡在预制棒成型区3，使配件的上端和预制棒成型区的最上端平齐。将挤压模具和挤压配件4装配好了之后，送入预热到350℃的电炉，保温2h。
2)预制棒纤芯的玻璃组成为75TeO2-5Bi2O3-15ZnO-5Li2O，包层的玻璃组成为72TeO2-5Bi2O3-15ZnO-5Li2O-3GeO2。纤芯玻璃的熔制，称量一定量的纤芯玻璃原料，将其混合均匀，称量纤芯玻璃原料30g混匀，放进铂金坩埚中于800℃熔制，同时称量包层玻璃原料70g混匀，放进铂金坩埚中于800℃熔制。待纤芯和包层玻璃熔制30min，将挤压模具从退火炉中拿出。将包层玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将包层玻璃液倒入挤压模具中，然后等待10s，将纤芯玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃液表面，过30s把预热过的压头放在纤芯玻璃上；
3)将挤压装置从电炉中拿出，取出所述的压头1；
4)如图3中b～d图所示，把包层玻璃从熔融炉中拿出来，放置20～40s，将包层玻璃5倒入挤压模具中，等待10～15s；把纤芯玻璃从熔炉中拿出来，放置20～40s，然后将纤芯玻璃6倒在包层玻璃表面，等待20～40s，然后将压头1放在纤芯玻璃表面。此过程重点是调控包层和纤芯玻璃的粘度，使得挤压能够顺利进行。然后将压头1放在纤芯玻璃表面，然后将挤压装置转移到压机上；所述的纤芯玻璃液和包层玻璃称为玻璃坯料；
5)如图3中e图所示，启动压机通过所述的压头1对所述的玻璃坯料进行挤压，挤压压强为30MPa左右，挤压速度10cm/min，在压机的挤压下，挤压配件会很快被挤压出模具，待所述的玻璃坯料挤出所述的玻璃成型区(2)后，关闭压机，并将所述的挤压装置转移到退火炉中，300℃退火3h，然后随炉降至室温，
6)小心拆开模具，取出制备好的预制棒，最终制得130mm长的光纤预制棒，预制棒直径6mm，纤芯直径为0.8mm。
实施例2
预制棒纤芯的玻璃组成为75TeO2-5Bi2O3-15ZnO-5Li2O，包层的玻璃组成为72TeO2-5Bi2O3-15ZnO-5Li2O-3GeO2。将模具组装好之后，放在电炉中保持温度350℃2h，称量纤芯玻璃原料25g混匀，放进铂金坩埚中于800℃熔制，同时称量包层玻璃原料75g混匀，放进铂金坩埚中于800℃熔制。待纤芯和包层玻璃熔制30min，将挤压模具从退火炉中拿出。将包层玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将包层玻璃倒入挤压模具中，然后等待10s，将纤芯玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃液表面，过30s把预热过的压头放在纤芯玻璃上。将模具转移到压机上，启动压机，挤压压强在30MPa左右，挤压速度10cm/min，直至预制棒挤出模具，停止挤压。将模具转移到电炉中在300℃退火3h，然后随炉降至室温，小心拆开模具，最终制得130mm长的光纤预制棒，预制棒直径6mm，纤芯直径为0.6mm。
实施例3
预制棒纤芯的玻璃组成为53ZrF4-20BaF2-4LaF3-3AlF3-20NaF，包层的玻璃组成为53ZrF4-15BaF2-4LaF3-3AlF3-25NaF。将模具组装好之后，放在电炉中保持温度320℃2h，称量纤芯玻璃原料30g混匀，放进铂金坩埚中于900℃熔制，同时称量包层玻璃原料70g混匀，放进铂金坩埚中于900℃熔制。待纤芯和包层玻璃熔制30min，将挤压模具从退火炉中拿出。将包层玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将包层玻璃液倒入挤压模具中，然后等待10s，将纤芯玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃液表面，过30s把预热过的压头放在纤芯玻璃上。将模具转移到压机上，启动压机，挤压压强在25MPa左右，挤压速度10cm/min，直至预制棒挤出模具，停止挤压。将模具转移到电炉中在280℃退火3h，然后随炉降至室温，小心拆开模具，最终制得130mm长的光纤预制棒，预制棒直径6mm，纤芯直径为0.8mm。
实施例4
预制棒纤芯的玻璃组成为53ZrF4-20BaF2-4LaF3-3AlF3-20NaF，包层的玻璃组成为53ZrF4-15BaF2-4LaF3-3AlF3-25NaF。将模具组装好之后，放在电炉中保持温度320℃2h，称量纤芯玻璃原料25g混匀，放进铂金坩埚中于900℃熔制，同时称量包层玻璃原料75g混匀，放进铂金坩埚中于900℃熔制。待纤芯和包层玻璃熔制30min，将挤压模具从退火炉中拿出。然后将包层玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将包层玻璃液倒入挤压模具中，然后等待10s，将纤芯玻璃从熔制炉中拿出，放置30s，将纤芯玻璃液倒在包层玻璃液表面，过30s把预热过的压头放在纤芯玻璃上。将模具转移到压机上，启动压机，挤压压强在25MPa左右，挤压速度10cm/min，直至预制棒挤出模具，停止挤压。模具转移到电炉中在280℃退火3h，然后随炉降至室温，小心拆开模具，最终制得130mm长的光纤预制棒，预制棒直径6mm，纤芯直径为0.6mm。

Claims (1)

1.一种利用光纤预制棒的挤压装置制备光纤预制棒的方法，该挤压装置， 包括挤压模具和挤压配件，所述的挤压模具的上、中、下三部分分别称为压头（1）、 玻璃成型区（2）和预制棒成形区（3），所述的玻璃成型区（2）和预制棒成形区
（3）均由 2 瓣共轴相连构成，所述的玻璃成型区（2）的内腔的直径与所述的压 头（1）的外径相同，所述的玻璃成型区（2）的底部的出口的直径与所述的预制 棒成形区（3）的内径相同，所述的预制棒成形区（3）的大小决定光纤预制棒的 尺寸；所述的挤压配件是一个圆柱体，其直径比所述的预制棒成形区（3）的内 径略小；其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
1）利用铜丝或弹簧将所述的挤压配件卡在所述的预制棒成型区的入口，使 所述的挤压配件的上端和预制棒成型区的最上端平齐，将所述的压头（1）置于 所述的玻璃成型区（2），然后将挤压装置放入电炉中在 220℃～350℃保温 2 h；
2）利用高温熔融法同时熔制纤芯玻璃液和包层玻璃液；
3）将挤压装置从电炉中拿出，取出所述的压头（1）；
4）将包层玻璃液从熔融炉中拿出，放置 20~40 s，将包层玻璃液倒入所述的 玻璃成型区（2）等待 10~15 s；把纤芯玻璃液从熔炉中拿出，放置 20~40 s，将 纤芯玻璃液倒在包层玻璃液表面；等待 20~40 s，然后将压头（1）放在纤芯玻璃 液表面，然后将挤压装置转移到压机上；所述的纤芯玻璃液和包层玻璃液称为玻 璃坯料；
5）启动压机通过所述的压头（1）对所述的玻璃坯料进行挤压，挤压压强为
20~40 MPa，挤压速度 10 cm/min，在压机的挤压下，挤压配件会很快被挤压出 模具，待所述的玻璃坯料挤出所述的玻璃成型区（2）后，关闭压机，并将所述 的挤压装置转移到电炉中，退火 3 小时后，随炉降至室温；
6）小心拆开模具，取出制备好的预制棒。
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