CN109482421A - 光纤金属涂层涂覆装置与光纤金属涂层涂覆方法 - Google Patents

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刘念
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Abstract

本发明公开了一种光纤金属涂层涂覆装置与光纤金属涂层涂覆方法。本发明的光纤金属涂层涂覆装置包括：用于容置金属材料的坩埚以及用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行控制的温控系统；所述坩埚包括坩埚本体、坩埚盖、与所述坩埚本体配合使用的第一螺钉以及与所述坩埚盖配合使用的第二螺钉。本发明的光纤金属涂层涂覆装置的原料利用率高，裸光纤进入液态金属材料时的温度能够得到精确控制，穿丝简单方便，成功率高，液态金属材料不会从坩埚的上部溢出，裸光纤表面形成的金属涂覆层的厚度均匀。

Description

光纤金属涂层涂覆装置与光纤金属涂层涂覆方法
技术领域
本发明涉及光纤涂覆技术领域，具体而言，涉及一种光纤金属涂层涂覆装置与光纤金属涂层涂覆方法。
背景技术
随着石英玻璃光纤越来越广泛的应用，光纤的机械稳定性及环境适应性成为光纤应用中的一个重要问题。涂层是光纤的重要组成部分，直接影响着光纤的机械性能和抗外部环境能力。目前广泛采用紫外(UV)固化聚合物对光纤进行保护，其优点是涂覆工艺简单、涂覆速度快、微弯损耗低。然而，聚合物涂层材料具有可渗透性，不能完全阻止光纤与水分接触，光纤接触水分后会导致光纤表面裂纹的缓慢增长，从而影响光纤的机械稳定性。另外，常用的聚合物涂层的正常工作温度小于150℃，若大于限定温度将发生热老化和热氧老化，降低涂层对光纤的保护作用。
金属涂层光纤由于涂层的高密封性、高热导率及其化学和热稳定性，能有效隔绝水分和光纤接触，并且在400℃高温时仍能正常工作。此外金属涂层光纤在核工业抗辐射、高温警报系统(火灾等)、光纤温度传感器、耐氢高温系统、空间环境等应用场景中具有不可替代的作用。光纤表面的金属涂层可以用如下几种方法进行制备：溅射法、气相沉积法和冷凝法。溅射法得到的金属涂层密封性差且光纤强度低。沉积法产量低，沉积的光纤短，因此实用性都不强。目前采用较多的是冷凝法，即将冷却后的光纤通过有限厚度的熔融液态金属材料，光纤的温度低于金属熔点时，液态金属接触到光纤后将冷却成固态金属并以涂层的形式冻结在光纤表面。需要注意的是，光纤和熔融液态金属材料接触的时间不能超过光纤加热到金属熔点的时间，否则冷凝的金属涂层将再次融化。实现金属涂覆的核心为冷凝涂覆装置，然而，现有的冷凝涂覆装置存在原料利用率低、光纤进入液态金属时温度不能精确控制、穿丝困难、液态金属易溢出等问题。
发明内容
本发明的目的首先在于提出一种光纤金属涂层涂覆装置，原料利用率高，裸光纤进入液态金属材料时的温度能够得到精确控制，穿丝简单方便，成功率高，液态金属材料不会从坩埚的上部溢出，裸光纤表面形成的金属涂覆层的厚度均匀。
本发明的目的还在于提出一种光纤金属涂层涂覆方法，原料利用率高，裸光纤进入液态金属材料时的温度能够得到精确控制，穿丝简单方便，成功率高，液态金属材料不会从坩埚的上部溢出，裸光纤表面形成的金属涂覆层的厚度均匀。
为实现以上目的，本发明提供一种光纤金属涂层涂覆装置，包括：用于容置金属材料的坩埚以及用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行控制的温控系统；
所述坩埚包括坩埚本体、坩埚盖、与所述坩埚本体配合使用的第一螺钉以及与所述坩埚盖配合使用的第二螺钉；
所述坩埚本体包括第一底板以及与所述第一底板相连的第一侧板；所述坩埚盖包括U形筒体以及与所述U形筒体的顶部外边缘连接的环形盖板，所述U形筒体包括第二底板以及与所述第二底板相连的第二侧板，所述第二侧板远离所述所述第二底板的一端与所述环形盖板相连；
所述坩埚盖与所述坩埚本体配合使用时所述环形盖板与所述第一侧板的顶端抵接，所述第二底板与所述第一底板之间的距离小于所述环形盖板与所述第一底板之间的距离；
所述第一底板上设有第一螺纹孔，所述第一螺钉可旋拧于所述第一螺纹孔中；所述第二底板上设有第二螺纹孔，所述第二螺钉可旋拧于所述第二螺纹孔中；
所述第一螺钉内设有允许裸光纤穿过的第一通孔，所述第二螺钉内设有允许裸光纤穿过的第二通孔。
可选的，在所述第二螺钉上朝向所述第一螺钉设置的一端，所述第二通孔的孔壁与所述第二螺钉的端面之间的夹角为直角；
在所述第一螺钉上朝向所述第二螺钉设置的一端，所述第一通孔的孔壁与所述第二螺钉的端面之间的夹角为弧形角。
可选的，所述温控系统包括用于对所述坩埚内的金属材料进行加热的加热组件、用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行监测的温度传感器以及控制器，所述控制器能够接收所述温度传感器监测到的温度值，并根据该温度值对所述加热组件的加热情况进行调控。
可选的，所述加热组件包括设于所述坩埚本体外围的加热线圈；
所述光纤金属涂层涂覆装置还包括用于承载所述坩埚的底座以及设于所述底座上并设于所述加热线圈外围的隔热挡墙，所述底座上设有能够使所述第二螺钉通过的第三通孔；
所述坩埚盖的环形盖板通过第三螺钉固定于所述隔热挡墙上。
可选的，所述光纤金属涂层涂覆装置还包括惰性气体保护系统，所述惰性气体保护系统包括设于所述底座下方并设于所述第一螺钉外部的惰性气体充气罩，所述惰性气体充气罩上设有允许惰性气体进入的进气口以及使涂覆有金属材料的裸光纤通过的开口。
可选的，所述光纤金属涂层涂覆装置还包括位置控制机构，所述位置控制机构包括第一位置固定件、弹性件、第二位置固定件以及位置控制螺栓；所述弹性件设于所述底座与所述第一位置固定件之间，所述第二位置固定件设于所述底座远离所述弹性件的一侧，所述第二位置固定件上设有螺纹孔，所述位置控制螺栓可旋拧于所述第二位置固定件的螺纹孔中。
本发明还提供一种光纤金属涂层涂覆方法，包括：
步骤1、提供上述光纤金属涂层涂覆装置与金属材料，将所述金属材料投入至所述光纤金属涂层涂覆装置中，使所述第二螺钉与所述第一螺钉相对应的端面抵接在一起；
步骤2、提供裸光纤，使所述裸光纤依次穿过所述第二螺钉与所述第一螺钉，并且在穿过所述第一螺钉后使所述裸光纤持续受到牵引；
步骤3、利用所述温控系统对所述坩埚进行加热，使所述金属材料熔融形成液态金属材料；
步骤4、待液态金属材料的温度达到预定范围并且稳定后，通过旋拧所述第二螺钉和/或所述第一螺钉，使所述第二螺钉与所述第一螺钉之间产生间距，此时，接触到裸光纤的液态金属材料迅速降温凝固，形成包覆于裸光纤外表面的金属涂覆层。
可选的，所述步骤1中，所述金属材料包括铝、锡、铅、铜、镍、银、金中的至少一种。
可选的，所述步骤2中提供的裸光纤的制备方法为：提供石英玻璃材质的光纤预制棒，在高温炉中对所述光纤预制棒进行加热，待所述光纤预制棒达到熔融状态后，使所述光纤预制棒的料头在重力的作用下从高温炉中滴出，剪去料头后用镊子拉成合适直径的裸光纤，所述裸光纤在穿过所述第一螺钉后在牵引力的作用下进一步变细。
可选的，所述步骤2中，在所述第一螺钉的下方采用牵引轮对所述裸光纤进行牵引。
本发明的有益效果：本发明的光纤金属涂层涂覆装置采用具有独特结构的坩埚与温控系统配合使用，该光纤金属涂层涂覆装置的原料利用率高，裸光纤进入液态金属材料时的温度能够得到精确控制，裸光纤表面形成的金属涂覆层的厚度易于控制，能够实现金属涂覆层的连续在线制备，有利于实现批量生产，操作时穿丝简单方便，成功率高，液态金属材料不会从坩埚的上部溢出，上下螺钉的间隔大小以及该间隔的所在位置可调节，还能够避免裸光纤接触液态金属材料表面的杂质，保证涂覆质量。本发明的光纤金属涂层涂覆方法采用上述光纤金属涂层涂覆装置实现，原料利用率高，裸光纤进入液态金属材料时的温度能够得到精确控制，穿丝简单方便，成功率高，液态金属材料不会从坩埚的上部溢出，裸光纤表面形成的金属涂覆层的厚度均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。
图1为本发明的光纤金属涂层涂覆装置的结构示意图；
图2为裸光纤进入熔融的液态金属材料时的温度T1与高温炉和光纤金属涂层涂覆装置的间距z的关系示意图；
图3为裸光纤进入熔融的液态金属材料时的温度T1在560℃以下时与高温炉和光纤金属涂层涂覆装置的间距z的关系示意图。
主要元件符号说明：
11、坩埚本体；111、第一底板；112、第一侧板；12、坩埚盖；120、筒体；121、第二底板；122、第二侧板；125、环形盖板；21、第一螺钉；211、第一通孔；22、第二螺钉；221、第二通孔；31、加热线圈；32、温度传感器；33、控制器；40、底座；41、第三通孔；50、隔热挡墙；51、固定螺栓；61、惰性气体充气罩；71、第一位置固定件；72、弹性件；73、第二位置固定件；74、位置控制螺栓；81、光纤预制棒；82、裸光纤；83、牵引轮；90、液态金属材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“A或/和B”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合，可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
请参阅图1，本发明提供一种光纤金属涂层涂覆装置，包括：用于容置金属材料的坩埚以及用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行控制的温控系统；
所述坩埚包括坩埚本体11、坩埚盖12、与所述坩埚本体11配合使用的第一螺钉21以及与所述坩埚盖12配合使用的第二螺钉22；
所述坩埚本体11包括第一底板111以及与所述第一底板111相连的第一侧板112；所述坩埚盖12包括U形筒体120以及与所述U形筒体120的顶部外边缘连接的环形盖板125，所述U形筒体120包括第二底板121以及与所述第二底板121相连的第二侧板122，所述第二侧板122远离所述所述第二底板121的一端与所述环形盖板125相连；
所述坩埚盖12与所述坩埚本体11配合使用时所述环形盖板125与所述第一侧板112的顶端抵接，所述第二底板121与所述第一底板111之间的距离小于所述环形盖板125与所述第一底板111之间的距离；
所述第一底板111上设有第一螺纹孔，所述第一螺钉21可旋拧于所述第一螺纹孔中；所述第二底板121上设有第二螺纹孔，所述第二螺钉22可旋拧于所述第二螺纹孔中。
所述第一螺钉21内设有允许裸光纤82穿过的第一通孔211，所述第二螺钉22内设有允许裸光纤82穿过的第二通孔221。
具体的，所述坩埚盖12的优点在于：
(1)所述U形筒体120能够有效减少熔融的金属材料传递给第二螺钉22的热量，防止第二螺钉22被过度加热；
(2)所述U形筒体120的设计能够使第二螺钉22的长度大幅缩短，降低第二螺钉22的加工难度和加工成本；
(3)由于所述U形筒体120内设有熔融的液态金属材料90，裸光纤82从第二螺钉22的第二通孔221穿过时，能够远离液态金属材料90，避免裸光纤82在接触液态金属材料90之前被提前加热，这有利于对裸光纤82进入液态金属材料90之前的温度进行精确控制；
(4)所述坩埚盖12能够与具有不同孔径(第二通孔221的直径)的第二螺钉22配合使用，也即是说，能够针对不同直径的裸光纤82，实现具有不同孔径的第二螺钉22的灵活更换，避免第二通孔221过大造成金属液表面张力不够导致金属液从第二通孔221上溢或者第二通孔221过小导致裸光纤82受损。
具体的，所述第一螺钉21与第二螺钉22的有益效果包括：
(1)当所述第一螺钉21与第二螺钉22的间距L小于生产要求的数值时，可以使所述第一螺钉21与第二螺钉22中的其中一个向坩埚外侧旋转或者使所述第一螺钉21与第二螺钉22均向坩埚外侧旋转，使间距L增加，从而有利于在涂覆过程中保证间距L的一致性，进而保证涂覆工艺的一致性；
(2)通过对所述第一螺钉21与第二螺钉22进行上下移动，能够使所述第一螺钉21与第二螺钉22之间的间隔L所在的位置处于不同的深度，使得液态金属材料90作用于裸光纤82上的压力可调，以得到最佳的涂覆压力；
(3)所述第一螺钉21能够下调至坩埚本体11的底部，因此在液态金属材料90很少的情况下也能使所述第一螺钉21与第二螺钉22的间距L满足生产要求，这样可以充分利用液态金属材料90，提高原料利用率；
(4)由于所述第一螺钉21上朝向所述第二螺钉22的一端以及所述第二螺钉22上朝向所述第一螺钉21的一端均处于液态金属材料90的液面以下，因此能够避免所述裸光纤82与所述液态金属材料90表面的金属氧化物或杂质接触导致影响涂覆质量；
(5)所述第一螺钉21与第二螺钉22不仅可以上下移动以调节间距L的大小，而且可以作为可匹配不同直径的裸光纤82的拉丝模具；
(6)使坩埚可以重复利用，当需要对不同直径的裸光纤82进行涂覆时，更换具有不同孔径的第一螺钉21与第二螺钉22即可，不需要针对不同直径的裸光纤82制作不同的坩埚，节省成本。
优选的，所述第二底板121的直径(所述U形筒体120的直径)为所述第一底板111的直径(所述坩埚本体11的直径)的1/2，以方便第二螺钉22的上下旋转，保证裸光纤82在进入液态金属材料90之前有足够的空气对流，以保证裸光纤82在进入液态金属材料90时保持较低的温度，从而有利于使接触到所述裸光纤82的液态金属材料90降温凝固。基于所述坩埚盖12的U形设计以及第一螺钉21与第二螺钉22的设计，本发明光纤金属涂层涂覆装置的金属材料的利用率非常高，因此不会出现坩埚的直径过大而造成金属材料浪费的问题。
可选的，所述金属材料包括铝、锡、铅、铜、镍、银、金中的至少一种。
可选的，所述裸光纤82的材质为石英玻璃。
可选的，所述坩埚本体11为石墨材料，所述坩埚盖12、所述第二螺钉22以及所述第一螺钉21的材料均为陶瓷材料，例如MACOR陶瓷材料。
可选的，所述第一通孔211与所述第二通孔221均为圆孔，并且所述第一通孔211与所述第二通孔221的直径相同，这样设计的目的在于控制所述第二通孔221的直径不至于太大，保证第二螺钉22浸入液态金属材料90一端处的液体压力小于液态金属材料90的表面张力，使液态金属材料90不易沿所述第二通孔221向上溢出。
可选的，在所述第二螺钉22上朝向所述第一螺钉21设置的一端，所述第二通孔221的孔壁与所述第二螺钉22的端面之间的夹角为直角。
所述直角设计的优点在于：所述第二螺钉22上朝向所述第一螺钉21设置的一端的端面为平面，这样可以保证在涂覆之前，当所述第一螺钉21与第二螺钉22抵靠在一起时，所述第一螺钉21与第二螺钉22的接触比较紧密，能够避免液态金属材料90进入所述第一通孔211与第二通孔221中。
优选的，在所述第一螺钉21上朝向所述第二螺钉22设置的一端，所述第一通孔211的孔壁与所述第二螺钉22的端面之间的夹角为弧形角。可选的，所述弧形角为圆角。
所述弧形角设计的优点在于：
(1)在涂覆前穿丝时，所述弧形角的设计能够保证在所述第一螺钉21与第二螺钉22的接触位置所述第一通孔211的直径略大于所述第二通孔221的直径，使裸光纤82的穿丝更加容易，同时能够保证所述裸光纤82在接触第一螺钉21时不会因为接触棱角而受损；
(2)所述弧形角的设计能够使所述第一通孔211维持较小的孔径。
具体的，所述第一螺钉21与第二螺钉22均为平头螺钉。
具体的，所述温控系统包括用于对所述坩埚内的金属材料进行加热的加热组件、用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行监测的温度传感器32以及控制器33，所述控制器33能够接收所述温度传感器32监测到的温度值，并根据该温度值对所述加热组件的加热情况进行调控。
可选的，如图1所示，所述加热组件包括设于所述坩埚本体11外围的加热线圈31。所述加热线圈31能够对坩埚持续加热，使金属材料保持熔融状态。
可选的，所述光纤金属涂层涂覆装置还包括用于承载所述坩埚的底座40以及设于所述底座40上并设于所述加热线圈31外围的隔热挡墙50，所述底座40上设有能够使所述第二螺钉22通过的第三通孔41。所述隔热挡墙50能够防止坩埚内部的热量散失，以便金属材料能够更快加热至使用温度，另一方面也起到了防止坩埚外部温度太高将人烫伤的保护作用。
可选的，所述坩埚盖12的环形盖板125通过固定螺栓51固定于所述隔热挡墙50上，由于所述隔热挡墙50与所述底座40固定连接，因此，将所述坩埚盖12固定于所述隔热挡墙50上即可实现将所述坩埚固定于所述底座40上。
优选的，本发明的光纤金属涂层涂覆装置还包括惰性气体保护系统，所述惰性气体保护系统包括设于所述底座40下方并设于所述第一螺钉21外部的惰性气体充气罩61，所述惰性气体充气罩61上设有允许惰性气体进入的进气口以及使涂覆有金属材料的裸光纤82通过的开口，所述惰性气体充气罩61上的进气口可以通过气体管道连接至惰性气体供应装置。本发明通过设置惰性气体保护系统，能够有效避免裸光纤82表面涂覆的金属材料在高温状态下被空气中的氧气氧化。
优选的，本发明的光纤金属涂层涂覆装置还包括位置控制机构，所述位置控制机构包括第一位置固定件71、弹性件72、第二位置固定件73以及位置控制螺栓74；所述弹性件72设于所述底座40与所述第一位置固定件71之间，所述第二位置固定件73设于所述底座40远离所述弹性件72的一侧，所述第二位置固定件73上设有螺纹孔，所述位置控制螺栓74可旋拧于所述第二位置固定件73的螺纹孔中，所述位置控制螺栓74朝所述底座40的方向旋转前进时，所述底座40受到所述位置控制螺栓74的推力朝向所述弹性件72的方向移动。可选的，所述弹性件72为弹簧。
具体的，本发明通过采用所述位置控制机构来控制所述底座40在水平方向上移动，有利于实现裸光纤82拉制时的垂直校准。
具体的，可以通过将所述弹性件72与所述位置控制螺栓74设置于所述底座40前后左右的位置来控制所述底座40前后左右方向的移动。
请参阅图1，基于上述光纤金属涂层涂覆装置，本发明提供一种光纤金属涂层涂覆方法，包括：
步骤1、提供上述光纤金属涂层涂覆装置与金属材料，将所述金属材料投入至所述光纤金属涂层涂覆装置中，此时所述第一螺钉21与第二螺钉22相对应的端面抵接在一起；
步骤2、提供裸光纤82，使所述裸光纤82依次穿过所述第一螺钉21与第二螺钉22，并且在穿过所述第一螺钉21后使所述裸光纤82持续受到牵引；
步骤3、利用所述温控系统对所述坩埚进行加热，使所述金属材料熔融形成液态金属材料90；
步骤4、待液态金属材料90的温度达到预定范围并且稳定后，通过旋拧所述第二螺钉22和/或所述第一螺钉21，使所述第一螺钉21与第二螺钉22之间产生间距L，此时，接触到裸光纤82的液态金属材料90迅速降温凝固，形成包覆于裸光纤82外表面的金属涂覆层。
可选的，所述步骤1中，所述金属材料包括铝、锡、铅、铜、镍、银、金中的至少一种，所述金属材料的形态可以为金属颗粒、金属丝以及金属球中的一种或多种。
具体的，所述步骤2中提供的裸光纤82的制备方法可以为：提供光纤预制棒81，在高温炉(例如石墨高温炉)中对所述光纤预制棒81进行加热，待所述光纤预制棒81达到熔融状态后，使所述光纤预制棒81的料头在重力的作用下从高温炉中滴出，剪去料头后用镊子拉成合适直径的裸光纤82，所述裸光纤82在穿过所述第一螺钉21后在牵引力的作用下进一步变细。
具体的，所述步骤2中，可以在所述第一螺钉21的下方采用牵引轮83对所述裸光纤82进行牵引。
值得一提的是，所述步骤4中，当所述裸光纤82在液态金属材料90中持续的时间过长时，所述裸光纤82的温度会达到金属材料的熔点温度，此时，已经形成的金属涂覆层会再度熔化，造成最后在裸光纤82上形成的金属涂覆层的厚度较薄不能满足要求，或者直接造成金属涂覆层完全脱落，因此，有必要避免这种情况的发生。
以涂覆的金属材料为铝为例，本发明的光纤金属涂层涂覆方法的一具体实施例为：
步骤1、戴上一次性手套，用清洁干净的镊子将直径0.1mm～6mm的超纯铝颗粒、铝丝或铝球放入坩埚中，盖好坩埚盖12，拧紧固定螺栓51，将坩埚固定于底座40上，将第一螺钉21与第二螺钉22旋紧闭合，使其间距L为零，以方便穿丝。
步骤2、用石墨高温炉对石英玻璃材质的光纤预制棒81进行加热至2100℃左右，等石墨高温炉中光纤预制棒81达到熔融状态后拉制出裸光纤82，将合适直径的裸光纤82依次穿过第一螺钉21与第二螺钉22。
步骤3、将裸光纤82绕过牵引轮83，调节牵引轮83的牵引速度至裸光纤82直径达到合适的直径范围，在调节裸光纤82的直径的同时将坩埚加热至660℃以上，直至坩埚内部的超纯铝融化成液态铝。
步骤4.待液态铝的温度达到稳定范围后，下旋第一螺钉21和/或上旋第二螺钉22，使所述第一螺钉21与第二螺钉22之间产生间距L，这样液态铝将接触到裸光纤82，由于此时裸光纤82的温度要低于铝的熔点，因此接触到裸光纤82的铝溶液迅速降温凝固，形成一层固态铝包覆在裸光纤82表面，即形成金属涂覆层。
在本发明的光纤金属涂层涂覆方法中，如下几个参数对于金属涂覆层的制备至关重要。
1.裸光纤82进入熔融的液态金属材料90时的温度T1(以金属材料为铝为例)
如上所述，实现冷凝涂覆技术的关键是裸光纤82与液态铝接触时裸光纤82的温度T1低于铝的熔点660℃，一般情况下T1介于20℃到560℃时冷凝效果较好，因此对T1的把握至关重要。在线涂覆时，由于裸光纤82在高温炉内拉制成型，其起始温度Ts＝2100℃。高温炉与涂覆装置具有一定的距离z，裸光纤82经过该距离z后温度降为T1，T1计算公式如下：
其中，T1为裸光纤82进入光纤金属涂层涂覆装置时的温度，环境温度T0＝22℃，高温炉拉丝温度Ts＝2100℃，h为对流换热系数，取7.2×10-3cal/cm2·s，z为高温炉与光纤金属涂层涂覆装置的间距，Vf为拉丝速度，Cp为石英玻璃光纤的比热容(0.25cal/g.℃)，d为光纤直径。以直径400μm的裸光纤82为例，根据公式可分别计算出T1与间距z，T1与拉丝速度Vf之间的关系。
如图2所示，随着间距z的增大，裸光纤82的温度迅速降低，拉丝速度越大，裸光纤82在相同间距z内温度下降得越慢。由于裸光纤82的温度在20℃到560℃之间时才比较容易实现冷凝涂覆，因此只考虑T1在560℃以下时与间距z之间的关系，如图3所示，当裸光纤82的拉丝速度不大于10cm/s时，间距z不小于10cm即可使T1满足涂覆的温度要求；当裸光纤82的拉丝速度不大于30cm/s时，间距z不小于32cm即可使T1满足涂覆的温度要求；当裸光纤82的拉丝速度不大于50cm/s时，间距z不小于53cm可使T1满足涂覆的温度要求。依此类推，拉丝速度越快，需要的间距z越大才能使裸光纤82进入熔融铝液时的温度T1满足涂覆要求。
需要指出的是，本发明光纤金属涂层涂覆装置的坩埚盖12独特的U形设计能够保证实际工况中裸光纤82进入熔融铝液时的温度T1与计算数值的一致性。
2.液态金属材料90(以铝为例)的温度T2
理论上讲，液态铝的温度介于660℃(铝熔点)与石英玻璃材质的裸光纤82的拉丝温度2100℃(铝沸点2327℃)之间时都可实现冷凝涂覆。但在涂覆过程中，若液态铝温度过高会迅速将裸光纤82加热至铝熔点即660℃以上，导致冷凝的铝涂覆层再次熔融脱落，若液态铝的温度过低(接近熔点)，则凝固速度过快，铝涂覆层变得不规则甚至凝固过多导致所述第二螺钉22的第二通孔221以及所述第一螺钉21的第一通孔211堵塞，影响生产。因此液态铝的温度的一般介于663℃-690℃比较合适。
3.所述第二螺钉22的第二通孔221与所述第一螺钉21的第一通孔211的直径大小
涂覆不同直径的裸光纤82所需要的第一通孔211与第二通孔221的直径也不相同，以涂覆直径400μm的裸光纤82为例，所述第一通孔211与第二通孔221的直径选取为450μm-1150μm之间比较合适。原则上来说，裸光纤82与第二通孔221和第一通孔211之间的空隙越小越好，但不应小于金属涂覆层的厚度即20μm-100μm，否则第一通孔211与第二通孔221的孔壁将损伤金属涂覆层。
具体的，所述第一通孔211与第二通孔221的直径均为150μm-2000μm，所述第一螺钉21与第二螺钉22的外径均为0.2cm-1cm。
4.裸光纤82与液态金属材料90的接触深度(即第一螺钉21与第二螺钉22的间距L)
本发明光纤金属涂层涂覆方法的步骤4中，所述第一螺钉21与第二螺钉22之间的间距L非常重要，若间距L过大，则裸光纤82在液态金属材料90中停留时间过长，冷凝后的金属涂覆层将再次融化，使得金属涂覆层的厚度太小或金属涂覆层脱落；若间距L过小，则会导致金属涂覆层的厚度过大或者涂覆不均匀。有鉴于此，可以根据纤径测量仪准确把握金属涂覆层的即时厚度，将所述第一螺钉21与第二螺钉22的间距L调节到最优值，以获得满足厚度要求的金属涂覆层。
间距L的大小与拉丝速度密切相关，一般来说裸光纤82与液态金属材料90的接触时间t介于0.1ms至10ms之间。假设裸光纤82的拉丝速度约为50cm/s，则L＝Vf*t，L值为0.05mm-5mm。因此所述坩埚本体11的第一底板111与所述坩埚盖12的第二底板121之间的距离要大于5mm，但不超过10mm。
5.坩埚尺寸
以拉制长度为100m、直径为1000μm、金属涂覆层的厚度为100μm的裸光纤82为例，所需要液态金属材料90的体积为：
V0＝π{[(500μm+100μm)×10-6]2-(500μm×10-6)2}×100m≈35cm3 (2)
假设液态金属材料90的液面与所述第一螺钉21上朝向第二螺钉22的一端的距离为H，由L值范围知，H>0.5cm。假设坩埚本体11的直径为R，则计算得R<9.4cm。
坩埚盖12的U形筒体120的直径约为所述坩埚本体11的直径的1/2，考虑到第一螺钉21、第二螺钉22的尺寸设计和后期操作方便的需要，U形筒体120的直径大于2cm较为合适。因此本发明光纤金属涂层涂覆装置的坩埚本体11的直径(即第一底板111的直径)为4cm-9.4cm，坩埚本体11的高度(即第一侧板112的高度)大于3cm是比较合适的。
由式(2)知，以金属材料为铝为例，每次投料质量m＝ρV0＝94.5g，考虑到原料利用率以及额外生产问题，每次生产投料125g较为合适。因此坩埚高度需相应增加，又考虑坩埚内部的铝溶液不接触顶盖，要预留有空隙，因此坩埚本体11的高度需大于5cm。
值得一提的是，本发明的光纤金属涂层涂覆装置不仅适用于对石英玻璃材质的裸光纤82进行表面涂覆，而且适用于其他材质的裸光纤82以及除光纤以外的其它纤维状物体的表面涂覆。
由于本发明的光纤金属涂层涂覆装置适用于多种类型的金属材料的涂覆，可以想到的是，所述光纤金属涂层涂覆装置的参数会随着不同金属材料的熔点、粘度、表面张力等物理性质的不同而有所变化。
本发明的光纤金属涂层涂覆装置的优点包括：
1、金属材料的利用率高；
2、裸光纤82进入液态金属材料90时的温度能够得到精确控制；
3、裸光纤82表面形成的金属涂覆层的厚度易于控制；
4、能够实现金属涂覆层的连续在线制备，有利于实现批量生产；
5、操作时穿丝简单方便，成功率高；
6、液态金属材料90不会从坩埚的上部溢出；
7、所述第一螺钉21与第二螺钉22的间隔大小以及该间隔的所在位置可调节；
8、能够避免裸光纤82接触液态金属材料90表面的杂质，保证涂覆质量。
由于本发明中所涉及的各参数的数值范围在上述实施例中不可能全部体现，但本领域的技术人员完全可以想象到只要落入上述各数值范围内的任何数值均可实施本发明，当然也包括若干项数值范围内具体值的任意组合。此处，出于篇幅的考虑，省略了给出某一项或多项数值范围内具体值的实施例，此不应当视为本发明的技术方案的公开不充分。
以上所述仅为本发明的较佳实施事例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，包括：用于容置金属材料的坩埚以及用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行控制的温控系统；
所述坩埚包括坩埚本体、坩埚盖、与所述坩埚本体配合使用的第一螺钉以及与所述坩埚盖配合使用的第二螺钉；
所述坩埚本体包括第一底板以及与所述第一底板相连的第一侧板；所述坩埚盖包括U形筒体以及与所述U形筒体的顶部外边缘连接的环形盖板，所述U形筒体包括第二底板以及与所述第二底板相连的第二侧板，所述第二侧板远离所述第二底板的一端与所述环形盖板相连；
所述坩埚盖与所述坩埚本体配合使用时所述环形盖板与所述第一侧板的顶端抵接，所述第二底板与所述第一底板之间的距离小于所述环形盖板与所述第一底板之间的距离；
所述第一底板上设有第一螺纹孔，所述第一螺钉可旋拧于所述第一螺纹孔中；所述第二底板上设有第二螺纹孔，所述第二螺钉可旋拧于所述第二螺纹孔中；
所述第一螺钉内设有允许裸光纤穿过的第一通孔，所述第二螺钉内设有允许裸光纤穿过的第二通孔。
2.如权利要求1所述的光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，在所述第二螺钉上朝向所述第一螺钉设置的一端，所述第二通孔的孔壁与所述第二螺钉的端面之间的夹角为直角；
在所述第一螺钉上朝向所述第二螺钉设置的一端，所述第一通孔的孔壁与所述第二螺钉的端面之间的夹角为弧形角。
3.如权利要求1所述的光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，所述温控系统包括用于对所述坩埚内的金属材料进行加热的加热组件、用于对所述坩埚内的金属材料的温度进行监测的温度传感器以及控制器，所述控制器能够接收所述温度传感器监测到的温度值，并根据该温度值对所述加热组件的加热情况进行调控。
4.如权利要求3所述的光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，所述加热组件包括设于所述坩埚本体外围的加热线圈；
所述光纤金属涂层涂覆装置还包括用于承载所述坩埚的底座以及设于所述底座上并设于所述加热线圈外围的隔热挡墙，所述底座上设有能够使所述第二螺钉通过的第三通孔；
所述坩埚盖的环形盖板通过第三螺钉固定于所述隔热挡墙上。
5.如权利要求4所述的光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，所述光纤金属涂层涂覆装置还包括惰性气体保护系统，所述惰性气体保护系统包括设于所述底座下方并设于所述第一螺钉外部的惰性气体充气罩，所述惰性气体充气罩上设有允许惰性气体进入的进气口以及使涂覆有金属材料的裸光纤通过的开口。
6.如权利要求4所述的光纤金属涂层涂覆装置，其特征在于，所述光纤金属涂层涂覆装置还包括位置控制机构，所述位置控制机构包括第一位置固定件、弹性件、第二位置固定件以及位置控制螺栓；所述弹性件设于所述底座与所述第一位置固定件之间，所述第二位置固定件设于所述底座远离所述弹性件的一侧，所述第二位置固定件上设有螺纹孔，所述位置控制螺栓可旋拧于所述第二位置固定件的螺纹孔中。
7.一种光纤金属涂层涂覆方法，其特征在于，包括：
步骤1、提供如权利要求1至6任一项所述的光纤金属涂层涂覆装置与金属材料，将所述金属材料投入至所述光纤金属涂层涂覆装置中，使所述第二螺钉与所述第一螺钉相对应的端面抵接在一起；
步骤2、提供裸光纤，使所述裸光纤依次穿过所述第二螺钉与所述第一螺钉，并且在穿过所述第一螺钉后使所述裸光纤持续受到牵引；
步骤3、利用所述温控系统对所述坩埚进行加热，使所述金属材料熔融形成液态金属材料；
步骤4、待液态金属材料的温度达到预定范围并且稳定后，通过旋拧所述第二螺钉和/或所述第一螺钉，使所述第二螺钉与所述第一螺钉之间产生间距，此时，接触到裸光纤的液态金属材料迅速降温凝固，形成包覆于裸光纤外表面的金属涂覆层。
8.如权利要求7所述的光纤金属涂层涂覆方法，其特征在于，所述步骤1中，所述金属材料包括铝、锡、铅、铜、镍、银、金中的至少一种。
9.如权利要求7所述的光纤金属涂层涂覆方法，其特征在于，所述步骤2中提供的裸光纤的制备方法为：提供石英玻璃材质的光纤预制棒，在高温炉中对所述光纤预制棒进行加热，待所述光纤预制棒达到熔融状态后，使所述光纤预制棒的料头在重力的作用下从高温炉中滴出，剪去料头后用镊子拉成合适直径的裸光纤，所述裸光纤在穿过所述第一螺钉后在牵引力的作用下进一步变细。
10.如权利要求7所述的光纤金属涂层涂覆方法，其特征在于，所述步骤2中，在所述第一螺钉的下方采用牵引轮对所述裸光纤进行牵引。
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