CN111427115B - 一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，该表面改性金属涂层光纤由内到外依次包括裸光纤、中间改性层和金属涂层，其中，所述裸光纤包括纤芯和光纤包层且均具有光波导功能，所述中间改性层为硅溶胶颗粒形成的涂层，所述硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。本发明通过在裸光纤与金属涂层之间引入硅溶胶颗粒，使金属熔融液能够更好地附着于裸光纤外表面；同时，所形成的中间改性层具有较疏松的结构，可以有效缓冲由于金属涂层与裸光纤热膨胀系数不匹配而产生的压应力，从而达到减少金属涂层光纤传输损耗的效果。

Description

一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统
技术领域
本发明涉及光纤制备领域，特别是一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统。
背景技术
目前，石英光纤主要应用于信息、传感技术以及激光传能等领域，是一种传输光信号的介质，其主要结构为内外两层圆柱状介质，也即纤芯层、外包层。
光纤裸表面具有较高的表面自由能，会自发的吸附环境中的水分子、O2等物质以降低表面能，水分子会与裸纤表面的[-Si-O-Si-]键发生水解反应形成[SiO-]和[-SiO-OH]等断裂键，进而破坏光纤玻璃的近程有序结构，并逐渐在光纤表面形成大量微小裂纹。在光纤的制备过程中，裸纤表面不可避免的会产生微裂纹，在这些缺陷处吸附现象、水解反应更为明显，从而降低光纤的强度。因此在光纤的制备过程中会在裸纤表面涂覆一层涂覆剂形成涂覆层。涂覆层可以隔绝外界介质与裸纤的接触，防止裸纤的磨损、腐蚀和意外断裂，以提高光纤的强度。
涂覆剂一般为陶瓷材料或丙烯酸树脂，但陶瓷材料需要昂贵的设备、且本身与光纤玻璃一样具有脆性；而丙烯酸树脂只能在-60℃～85℃的范围内使用、且在有O2存在的环境下易老化。相较之下金属涂层光纤具有着突出的优势：金属涂层的耐腐蚀性、耐应力性最佳；具有很好的低温性，可在-269℃下连续使用；可以隔绝水、氢气对光纤内部的侵蚀；可以用金属焊接法熔接光纤等。
光纤的使用环境要求其具有较高的应用稳定性、较长的使用寿命，而裸纤主要为纯度较高的SiO2玻璃，因此一般从涂覆层着手提高光纤的性质。虽然金属涂层光纤有着诸多优点，但是金属熔融液与裸纤的润湿性较差，拉出涂层的厚度、均匀度难以控制；其次，金属的热膨胀系数与玻璃的热膨胀系数相差较大，金属涂层冷却收缩形成较大压应力导致光纤的传输损耗显著增加。因此，为克服金属涂层的缺点，有必要对金属涂层光纤的制备工艺进行改善，来提高金属涂层光纤的应用稳定性，延长光纤的使用寿命以及改善光纤的光学性能。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，用于解决现有技术中金属涂层与裸光纤的润湿性较差，且金属涂层和裸光纤会因热膨胀系数不匹配而产生传输损耗大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种表面改性金属涂层光纤，由内到外依次包括裸光纤、中间改性层和金属涂层，其中，裸光纤包括纤芯和光纤包层且均具有光波导功能，中间改性层为硅溶胶颗粒形成的涂层，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。
其中，裸光纤的直径为100～150μm，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，金属涂层的厚度为2～10μm。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中表面改性金属涂层光纤的制备方法，其步骤包括：将光纤预制棒加热至1900～2000℃，拉制成裸光纤；将硅溶胶颗粒均匀涂覆至裸光纤表面，于420℃下固化形成中间改性层；金属铝于700℃下熔化成铝熔融液，将铝熔融液均匀涂覆至中间改性层表面，固化后形成金属涂层；收卷并完成表面改性金属涂层光纤的制备。
其中，裸光纤包括纤芯和光纤包层，光纤包层包覆于纤芯外侧，且位于纤芯与中间改性层之间，用于保护纤芯。
其中，裸光纤的直径为100～150μm，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，金属涂层的厚度为2～10μm。
其中，铝熔融液均匀涂覆至中间改性层表面的步骤中，铝熔融液与中间改性层的接触时间为0.001～0.1s，并于接触完成后固化形成金属涂层。
为解决上述技术问题，本发明提供的第三解决方案为：一种如前述第一解决方案中表面改性金属涂层光纤的制备系统，包括高温炉、中央改性层涂覆单元、金属涂层涂覆单元和绕线盘；光纤预制棒经高温炉后拉丝制成裸光纤，裸光纤经中央改性层涂覆单元后表面固化形成中央改性层，再经金属涂层涂覆单元后于中央改性层表面形成金属涂层，于绕线盘处收卷，并完成表面改性金属涂层光纤的制备。
其中，中央改性层涂覆单元包括硅溶胶涂覆器和管式马沸炉；裸光纤于硅溶胶涂覆器处涂覆硅溶胶颗粒，并于管式马沸炉中将硅溶胶颗粒固化形成中央改性层。
其中，金属涂层涂覆单元包括金属熔融炉、坩埚和金属涂覆器，坩埚和金属涂覆器均设置于金属熔融炉内腔中；金属铝于坩埚中熔化成铝熔融液后，导送至金属涂覆器，于金属涂覆器处将铝熔融液涂覆至中央改性层的表面，并快速固化形成金属涂层。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，通过在裸光纤与金属涂层之间引入硅溶胶颗粒，使金属熔融液能够更好地附着于裸光纤外表面；同时，所形成的的中间改性层具有较疏松的结构，可以有效缓冲由于金属涂层与裸光纤热膨胀系数不匹配而产生的压应力，从而达到减少金属涂层光纤传输损耗的效果。
附图说明
图1是本发明中表面改性金属涂层光纤一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中表面改性金属涂层光纤制备方法一实施方式的工艺流程图；
图3是本发明中表面改性金属涂层光纤制备系统一实施方式的示意图；
图中：110：裸光纤；111：纤芯；112：光纤包层；120：中间改性层；130：金属涂层；310：高温炉；320：中央改性层涂覆单元；321：硅溶胶涂覆器；322：管式马沸炉；330：金属涂层涂覆单元；331：金属熔融炉；332：坩埚；333：金属涂覆器；340：绕线盘；350：光纤预制棒；360：裸光纤；370：铝熔融液。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对比本发明所提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中表面改性金属涂层光纤一实施方式的结构示意图。该方案中提出一种表面改性金属涂层光纤，由内到外依次包括裸光纤110、中间改性层120和金属涂层130，其中，裸光纤110包括纤芯111和光纤包层112且均具有光波导功能，中间改性层120为硅溶胶颗粒形成的涂层，硅溶胶颗粒的粒径优选为80～120nm；本实施方式中，优选的，裸光纤的直径为100～150μm，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，金属涂层的厚度为2～10μm；在其他实施方式中，可对裸光纤的直径以及金属涂层的厚度做适应性调整，在此不作限定。
对于本发明提供的第二解决方案，请参阅图2，图2是本发明中表面改性金属涂层光纤制备方法一实施方式的工艺流程图。本方案提出一种表面改性金属涂层光纤制备方法，用于制备前述第一方案中的表面改性金属涂层光纤，其步骤包括：
S1：将光纤预制棒加热至1900～2000℃，拉制成裸光纤。本步骤中，优选裸光纤的直径为100～150μm，裸光纤包括纤芯和光纤包层，光纤包层包覆于纤芯外侧，且位于纤芯与中间改性层之间，用于保护纤芯。
S2：将硅溶胶颗粒均匀涂覆至裸光纤表面，于420℃下固化形成中间改性层。本步骤中，优选硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。
S3：金属铝于700℃下熔化成铝熔融液，将铝熔融液均匀涂覆至中间改性层表面，固化后形成金属涂层。本步骤中，优选金属涂层的厚度为2～10μm，铝熔融液与中间改性层的接触时间为0.001～0.1s，并于接触完成后快速固化形成金属涂层，从而使得所形成的金属涂层能够更加稳定地附着在中间改性层外部。
S4：收卷并完成表面改性金属涂层光纤的制备。
对于本发明提供的第三解决方案，请参阅图3，图3是本发明中表面改性金属涂层光纤制备系统一实施方式的示意图。本方案中提出了一种表面改性金属涂层光纤制备系统，用于制备前述第一方案中的表面改性金属涂层光纤，包括高温炉310、中央改性层涂覆单元320、金属涂层涂覆单元330和绕线盘340；其中，光纤预制棒350经高温炉310后拉丝制成裸光纤360，裸光纤360经中央改性层涂覆单元320后表面固化形成中央改性层，再经金属涂层涂覆单元后330于中央改性层表面形成金属涂层，于绕线盘340处收卷，并完成表面改性金属涂层光纤的制备。
具体地，中央改性层涂覆单元320包括硅溶胶涂覆器321和管式马沸炉322；裸光纤360于硅溶胶涂覆器321处涂覆硅溶胶颗粒，并于管式马沸炉322中将硅溶胶颗粒固化形成中央改性层。
具体地，金属涂层涂覆单元330包括金属熔融炉331、坩埚332和金属涂覆器333，坩埚332和金属涂覆器333均设置于金属熔融炉331内腔中，便于将金属铝进行熔化以及固化；金属铝于坩埚332中熔化成铝熔融液370后，导送至金属涂覆器333，于金属涂覆器333处将铝熔融液370涂覆至中央改性层的表面，并快速固化形成金属涂层。
进一步地，对上述表面改性金属涂层光纤的作用机理和优势进行阐述。本发明方案将纳米级的硅溶胶颗粒设置在裸光纤与金属涂层之间，由于硅溶胶固化后的二氧化硅颗粒表面活性高、比表面积大，使得光纤与金属熔融液的润湿程度大大增加，从而使裸光纤与金属涂层之间能够结合的更加紧密；同时，在裸光纤与金属涂层热膨胀系数匹配效果不佳的条件下，由于硅溶胶颗粒之间还具有结合力小、结构疏松的特点，能够将金属涂层对裸光纤表面的张应力卸掉，从而起到缓冲应力的作用，进而能够有效减少金属涂层光纤传输损耗。此外，针对表面改性金属涂层光纤这一结构，对其相应的制备方法和制备系统也做出了相应的改进，以适应表面改性金属涂层光纤的制备，可以说上述制备方法和制备系统是同该表面改性金属涂层光纤紧密相关的。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，通过在裸光纤与金属涂层之间引入硅溶胶颗粒，使金属熔融液能够更好地附着于裸光纤外表面；同时，所形成的中间改性层具有较疏松的结构，可以有效缓冲由于金属涂层与裸光纤热膨胀系数不匹配而产生的压应力，从而达到减少金属涂层光纤传输损耗的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种表面改性金属涂层光纤，其特征在于，由内到外依次包括裸光纤、中间改性层和金属涂层，其中：
所述裸光纤包括纤芯和光纤包层且均具有光波导功能，所述中间改性层为硅溶胶颗粒均匀涂覆至所述裸光纤表面形成的涂层，所述硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。
2.根据权利要求1中所述的表面改性金属涂层光纤，其特征在于，所述裸光纤的直径为100～150μm，所述硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，所述金属涂层的厚度为2～10μm。
3.一种如权利要求1～2中任一所述表面改性金属涂层光纤的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
将光纤预制棒加热至1900～2000℃，拉制成裸光纤；
将硅溶胶颗粒均匀涂覆至所述裸光纤表面，于420℃下固化形成中间改性层；
金属铝于700℃下熔化成铝熔融液，将所述铝熔融液均匀涂覆至所述中间改性层表面，固化后形成金属涂层；
收卷并完成表面改性金属涂层光纤的制备。
4.根据权利要求3中所述的表面改性金属涂层光纤的制备方法，其特征在于，所述铝熔融液均匀涂覆至所述中间改性层表面的步骤中，所述铝熔融液与中间改性层的接触时间为0.001～0.1s，并于接触完成后固化形成金属涂层。
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