CN111025457A - 一种适用于海洋环境的特种光纤光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于海洋环境的特种光纤光栅及其制备方法，其制备方法步骤如下：1)将含掺杂材料的光纤预制棒加热拉制成光纤，所述光纤由纤芯及包覆于纤芯外层的包层组成；2)在所得光纤外表面包覆一层碳涂覆层，制成碳涂覆层光纤，根据需要将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤，将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，加热使过渡层材料固化后再在整个光纤外表面涂覆聚酰亚胺复合涂层，得到适用于海洋环境的特种光纤光栅。本发明提供的光纤光栅耐盐、耐高湿、抗拉伸、抗弯折、耐强腐蚀、可靠度高、耐用性好，适用于海洋工作环境。

Description

一种适用于海洋环境的特种光纤光栅及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤光栅制造技术领域，具体涉及一种适用于海洋环境的特种光纤光栅及其制备方法。

背景技术

海洋覆盖着地球表面四分之三的面积，蕴含着丰富的自然资源。然而，目前人类对深海环境的认识还非常粗浅，但迫于资源短缺的压力开发深海区域已经迫在眉睫。

海水温度、压力是海洋的重要物理参数，对研究海洋水文气象观测、海洋环境监测和海洋渔业等领域具有十分重要的意义。一般用温盐深仪测定不同深度的海水水温和盐度，搭载的电子式传感装置如热敏电阻、铂电阻等存在数据非线性和测量误差较大的缺陷。光纤传感技术因具有抗电磁干扰、便于规模组阵、本征绝缘，有很高的灵敏度和精度以及快速响应等优点，已被广泛应用于石油天然气、航空航天、医学生物、交通运输等重要领域。但是在海洋高湿、高盐环境下，普通的光纤并不能承受这种严苛的环境，无法阻止水分和氢的渗透，容易引起光纤传输损耗的增加，降低光纤耐疲劳强度，严重影响光纤的使用寿命。所以需要研究一种适用于海洋高盐高湿环境的光纤，使其可靠度更高，耐用性更好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种适用于海洋环境的耐高湿耐高盐的光纤光栅及其制备方法，该光纤光栅能够有效抵抗水分和氢的入侵，解决现有布拉格光纤光栅及其装置件在运用于海洋环境时，容易出现海水、空气水分渗透到纤芯和包层中的问题，使光纤光栅在实际运用中更加可靠。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种适用于海洋环境的特种光纤光栅，其制备方法步骤如下：

1)将含掺杂材料的光纤预制棒加热拉制成光纤，所述光纤由纤芯及包覆于纤芯外层的包层组成；

2)在步骤1)所得光纤外表面包覆一层碳涂覆层，制成碳涂覆层光纤，根据需要将光纤布拉格光栅(FBG)写入碳涂覆层光纤，将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，加热使过渡层材料固化后再在整个光纤外表面涂覆聚酰亚胺复合涂层，得到适用于海洋环境的特种光纤光栅。

按上述方案，步骤1)所述含掺杂材料的光纤预制棒主体材料为二氧化硅，掺杂材料为锗、氟、硼中的一种或多种。掺杂材料能够增加光纤的紫外光敏性。不掺杂则在后续利用紫外激光脉冲刻制光栅时不能获得有效的折射率调制。

按上述方案，步骤1)所述光纤的纤芯直径为9μm，光纤的包层直径为125μm。

按上述方案，步骤2)所述碳涂覆层材料厚度为0.02～0.08μm。碳涂覆层材料主要成分为碳纳米管(CNTs)，碳纳米管具有理想的吸收与发散光波的特性，而且具有良好的致密结构，能够有效阻止外界水分进入光纤包层，并且抵抗氢的渗透或是逃逸，具有良好的气密性。碳涂覆层的厚度为0.02μm到0.08μm之间，涂层太薄不能起到保护的作用，无法阻止外界水分和氢的渗透；涂层太厚，使得后续写入光栅的过程变得极其困难，甚至不能实现。

按上述方案，步骤2)所述碳涂覆层采用化学气相沉积方法制备得到，具体制备方法为：将光纤置于化学气相沉积设备中，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，在1000～1200℃的沉积温度下在光纤的外表面上沉积碳涂覆层。

按上述方案，步骤2)将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤的方法为相位掩模法或全息干涉法，写入时碳涂覆层光纤的温度≤300℃。在光纤通过碳涂覆反应装置后，通过降温装置将光纤的温度降至300摄氏度以下。

按上述方案，步骤2)所述过渡层材料为硅树脂，厚度为60～80μm。硅树脂是一种热固性聚硅氧烷聚合物，具有很好的电绝缘性质，耐温及防水的效果，硅树脂通过加热固化的方式固着在碳涂覆层表面。

按上述方案，过渡层材料固化温度为90～120℃，固化时间为2～5h。

按上述方案，步骤2)将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，涂覆过渡层材料的长度为光纤布拉格光栅长度的2～3倍，过渡层材料中间位置与光纤布拉格光栅对应。

按上述方案，步骤2)所述聚酰亚胺复合涂层由聚酰亚胺树脂添加SiC超细粉末得到，SiC超细粉末添加量为聚酰亚胺树脂质量的18～20％，聚酰亚胺复合涂层厚度为120～140μm。SiC具有耐磨性高、热稳定性好、化学稳定性好等优良性能，与聚酰亚胺树脂掺杂后能改善聚酰亚胺树脂的整体性能如防腐蚀性等。

本发明还包括上述适用于海洋环境的特种光纤光栅的制备方法，具体步骤如下：

1)将含掺杂材料的光纤预制棒加热拉制成光纤，所述光纤由纤芯及包覆于纤芯外层的包层组成；

2)在步骤1)所得光纤外表面包覆一层碳涂覆层，制成碳涂覆层光纤，根据需要将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤，将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，加热使过渡层材料固化后再在整个光纤外表面涂覆聚酰亚胺复合涂层，得到适用于海洋环境的特种光纤光栅。

本发明通过光纤拉制装置将光纤预制棒拉制成光纤，之后用镀膜反应枪在光纤表面形成均匀厚度的碳涂覆层，通过激光装置、相位掩模版将一系列布拉格光栅写入带碳保护层光纤，以生产带有碳涂覆层的光纤光栅；所述碳涂覆层在写入光栅后保持完整性和原有功能。碳涂覆层能对光纤起到保护作用，减少海洋环境下由于波浪产生疲劳载荷导致的光纤疲劳失效或是应力腐蚀失效，延长光纤的使用寿命。

由于碳涂覆层很薄，所以需要在其外表面涂覆聚合物涂层为其提供保护。所述聚合物涂层为两层，第一层为对FBG区域单独涂覆的过渡层，其主要是增加机械剥除聚合物涂层时的便利性，大大减少剥除过程中划伤碳涂覆层以及光栅的概率，且凸起的部分作为一个标识，可以快速定位FBG栅区位置。第二层为对整条光纤涂覆的聚酰亚胺复合涂层，涂层中添加碳化物陶瓷纳米粉或其他具有防腐蚀成分组成的辅料粉体，为光纤光栅提供抗拉伸、抗弯折、耐高湿、耐强腐蚀的保护。

本发明的有益效果在于：1、本发明提供的光纤光栅耐盐、耐高湿、抗拉伸、抗弯折、耐强腐蚀、可靠度高、耐用性好，适用于海洋工作环境。2、本发明提供的制备方法步骤简单，易于操作，可靠性强。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的光纤光栅截面示意图；

图2为实施例1拉丝塔生产带有碳涂覆层光纤的装置示意图；

图3为实施例1生产具有含有碳涂覆层的光纤光栅传感器的流程图。

图中，1-光纤纤芯上的光栅；2-光纤包层；3-碳涂覆层；4-过渡层；5-聚酰亚胺复合涂层；6-光纤预制棒；7-拉丝炉；8-光纤；9-激光测微仪；10-碳涂覆反应装置；11-冷却装置；12-光纤缠绕装置；13-控制系统。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

提供一种用于海洋环境的耐高湿耐高盐光纤光栅的制备方法，工艺流程图如图3所示，具体步骤如下：

1)在拉丝塔中将含掺杂材料的光纤预制棒6(主体材料为二氧化硅，掺杂硼浓度18mol％，锗浓度20mol％)置于拉丝炉7中加热拉制成光纤8，拉丝塔生产带有碳涂覆层光纤的装置示意图如图2所示，激光测微仪9用于测量拉制出光纤的直径，并向控制系统13反馈数据，控制系统13通过反馈控制拉制出所需光纤的直径。光纤由纤芯1(直径9～10μm)及包覆于纤芯外层的包层(包层直径125μm)组成；

2)将光纤8置于碳涂覆反应装置10中，将温度提高到1200℃，通过化学气相沉积(CVD)的方法，在光纤的外表面上沉积碳涂覆层3，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，碳涂覆层3的厚度为0.02～0.08μm(经SEM图证实其主要成分是碳纳米管)，在碳涂覆反应装置10之后通过冷却装置11使得带碳涂覆层的光纤在刻写光栅之前降至300℃以下，并用光纤缠绕装置12缠绕收集；

在本实例中，采用紫外激光发生装置通过光纤相位掩模板在带碳涂覆层的光纤上刻写光纤布拉格光栅(FBG)。由于本发明刻写的光栅为强光栅，不能在线刻写，须将带碳涂覆层的光纤取下，另外刻写。其中，刻写光栅的紫外激光发生装置的紫外脉冲波长为248nm，频率为40Hz，脉冲的能量密度在25～85mJ/cm²的范围内。能量密度太小，使得光栅的反射率太小，失去了传感的功能；能量密度太大会对碳涂层造成损伤，使其失去保护的效果。为了在含有碳涂覆光纤上刻写光栅，除了控制碳涂覆层的厚度、控制紫外脉冲的能量密度，还需要在光纤中掺入一种或几种提高光敏性的元素，如锗以及氟、硼等，增加光纤的光敏性。根据实际情况，刻写光栅的数量可为一个或多个。

3)刻写好光栅的碳涂覆光纤还需涂覆聚合物涂层。聚合物涂层为两层，第一层为对FBG附近区域单独涂覆的过渡层4，其主要是增加机械剥除聚合物涂层时的便利性，大大减少剥除过程中划伤碳涂覆层以及光栅的概率，且凸起的部分作为一个标识，可以快速定位FBG栅区位置。本实施例的过渡层材料为硅树脂，过渡层厚度为60μm，涂覆过渡层材料的长度为光纤布拉格光栅长度的2～3倍，过渡层材料中间位置与光纤布拉格光栅对应，过渡层材料涂覆后在90℃下加热2小时固化。第二层为最外层的对整条光纤涂覆的聚酰亚胺复合涂层5，由于在实际运用光纤光栅的过程中，为了提高光纤光栅的灵敏度，或是由于传感装置增敏结构的需要，常常需要剥除最外层的保护层-聚酰亚胺复合涂层5，如无过渡层4，在剥除过程中极易划伤碳涂覆层3，以至不能达到保护光纤光栅的效果。在本实施例中，最外层保护层即聚酰亚胺复合涂层5厚度为120～140μm，聚酰亚胺复合涂层由聚酰亚胺树脂添加SiC超细粉末得到，SiC超细粉末添加量为聚酰亚胺树脂质量的18％，涂层包裹整根光纤，为光纤光栅提供抗拉伸、抗弯折、耐高湿、耐强腐蚀的保护。图1为本实施例所制备的光纤光栅截面示意图。

实施例2

测试实施例1所制备的光纤光栅的性能。

1.湿热试验

根据标准GJB 150.9A-2009规定的方法进行湿热试验：将光纤光栅样品(实施例1制备，制样6份)在30℃、湿度95％以上的条件下放置1h，再置于60℃、湿度95％条件下放置1h，两种条件交替，每小时交替一次，以24h为一个循环，循环8次，测试样品每次循环后的中心波长，测试结果见表1。

表1湿热实验中心波长记载表(nm)

所制光纤的中心波长在实验过程中并没有明显变化，表明传感器具有良好的耐湿热坏境性能。

2.温度湿度高度试验

根据标准GJB150.1A-2009规定的方法进行温度湿度高度试验，主要试验参数如下表2所示。

表2主要试验参数

具体一个循环试验过程如下：在标准大气环境条件下将试件装入试验箱，试件不工作状态下将试验箱内温度以5℃/min的速率从常温降到最低非工作温度，然后将试件在最低非工作温度下保持至温度稳定，然后以试件的最低工作电压使其工作，保持该条件直至规定的最短升温时间(完成后立即进行性能检查，确认试件是否按要求要求进行工作)，然后试件保持工作状态，将试验箱内的压力由当地压力以不大于8kPa/min的速率降低到26.4kPa，保持30min，将试验箱内的温度以不大于10℃/min的速率升高到32℃，压力以不大于8kPa/min的速率升至当地气压，控制湿度为相对湿度95％，保持30min，将试验箱内的温度升高至试件最高工作温度，相对湿度降低到小于30％，试件以最高工作电压工作，同时以10℃/min的速率进行温度变化，然后将试件在最高工作温度下浸泡直至达到温度稳定，使试件工作并记录数据，以便和试验前的数据进行比较，将试验箱内的压力由当地气压以不大于8kPa/min的速率降低至26.4kPa，然后保持试件最高工作温度直至试件达到温度稳定，然后进行性能检测，检查试件是否按要求工作。试验10个循环，测试循环前后光纤的中心波长值见表3。

表3光纤样品循环前后的中心波长变化值

由检测数据记录表3可知，实验测试完成后，所有光纤样品中心波长没有明显变化，且光纤外形完好无损伤，说明本实施例提供的光纤能够在高湿高温高压环境下正常工作。

Claims (10)

1.一种适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，其制备方法步骤如下：

1)将含掺杂材料的光纤预制棒加热拉制成光纤，所述光纤由纤芯及包覆于纤芯外层的包层组成；

2)在步骤1)所得光纤外表面包覆一层碳涂覆层，制成碳涂覆层光纤，根据需要将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤，将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，加热使过渡层材料固化后再在整个光纤外表面涂覆聚酰亚胺复合涂层，得到适用于海洋环境的特种光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤1)所述含掺杂材料的光纤预制棒主体材料为二氧化硅，掺杂材料为锗、氟、硼中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤1)所述光纤的纤芯直径为9μm，光纤的包层直径为125μm。

4.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)所述碳涂覆层材料厚度为0.02～0.08μm。

5.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)所述碳涂覆层采用化学气相沉积方法制备得到，具体制备方法为：将光纤置于化学气相沉积设备中，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，在1000～1200℃的沉积温度下在光纤的外表面上沉积碳涂覆层。

6.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤的方法为相位掩模法或全息干涉法，写入时碳涂覆层光纤的温度≤300℃。

7.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)所述过渡层材料为硅树脂，厚度为60～80μm。

8.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，涂覆过渡层材料的长度为光纤布拉格光栅长度的2～3倍，过渡层材料中间位置与光纤布拉格光栅对应。

9.根据权利要求1所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅，其特征在于，步骤2)所述聚酰亚胺复合涂层由聚酰亚胺树脂添加SiC超细粉末得到，SiC超细粉末添加量为聚酰亚胺树脂质量的18～20％，聚酰亚胺复合涂层厚度为120～140μm。

10.一种权利要求1-9任一所述的适用于海洋环境的特种光纤光栅的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将含掺杂材料的光纤预制棒加热拉制成光纤，所述光纤由纤芯及包覆于纤芯外层的包层组成；

2)在步骤1)所得光纤外表面包覆一层碳涂覆层，制成碳涂覆层光纤，根据需要将光纤布拉格光栅写入碳涂覆层光纤，将光纤布拉格光栅对应的光纤外表面区域涂覆过渡层材料，加热使过渡层材料固化后再在整个光纤外表面涂覆聚酰亚胺复合涂层，得到适用于海洋环境的特种光纤光栅。

Images