CN113281862A - 宇航用光缆的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明宇航用光缆的制造方法，光缆包括：光纤、缓冲层、增强层和外护层，缓冲层包裹在光纤外侧，增强层包裹在缓冲层外侧，外护层包裹在增强层外侧，其制造方法包括：制造光纤，光纤包括：纤芯、包层和涂覆层，其中在纤芯与包层中添加0.03～0.5％的氟元素，涂覆层为紫外光固化的丙烯酸树脂，在20Mrad辐照剂量下，辐照感生损耗应低于4dB/100m；通过挤塑方式在光纤外侧形成一层缓冲层；在缓冲层外用16股纤维丝编织构成增强层，纤维放线张力0.5N～1N；用编织机在增强层外进行编织方式形成外护层，编织外护层纤维丝的弹性模量大于2.1Gpa，编织密度大于99.9％，纤维放线张力1N～1.5N。

Description

宇航用光缆的制造方法
技术领域
本发明涉及了光缆的制造方法，特别是宇航用光缆的制造方法。
背景技术
本发明属于光纤通信技术领域，具体讲是一种用于航天器设备之间互连通信，高速传输大容量语音、图像、视频等光信号，可用于航天器舱内或舱外，可以满足空间辐照、高低温交变、低损耗、高可靠性等宇航环境适应性的宇航用光缆。
随着人类对太空探测活动的增加，发射的航天器逐年增多，宇航用光缆以其独特的优势正逐步替代传统光缆用于航天器中，宇航环境不同于地面环境，具有高辐照、宽温变、高真空等特点，温度交变周期短，光缆在轨期间将受到上万次的温度交变，对光缆是极大的考验，当前宇航用光缆均采用氟塑料作为外护套，氟塑料具有成型收缩较大的特点，收缩会导致光缆护套脱离连接器，甚至会影响传输损耗。宇航特殊环境对光缆主要产生两个方面的影响：一是光缆损耗增大，宇航环境的宽温变产生较大的温度应力，应力作用到光纤上造成光纤微弯，导致光缆损耗增大；二是长期交变引起光缆结构不稳定，交变的温度应力加剧了光缆的收缩特性，造成光缆结构分层，严重时会导致光缆失效。航天发射成本较高，航天器器件不易更换，具有不可维修性，宇航产品一旦失效将严重影响航天器的使用性能，严重的甚至会导致整个航天活动失败，当前宇航用光缆大多数采用热处理(Fiber OpticCable Assemblies for Space Flight Applications III:CharacterizationofCommercial Cables for Thermal Effects)的方式提前释放光缆的结构收缩，降低在轨使用过程中风险，但仍然无法从根本上解决该问题。
现有技术第一的技术方案是：主要有氟紧包结构、绕包松套结构。
氟紧包技术路线是采用氟塑料作为光纤的紧包层，纤维材料作为光缆的增强单元，外护套同样采用氟塑料挤出成型。该技术路线中氟材料线膨胀系数较大，比光纤高两个数量级，高低温下产生的温度应力较大，导致光纤传输损耗大，此外，外护套采用氟塑料，挤出方式是高温挤出，高分子材料先经高温塑化再挤出冷却成型，氟塑料是一种结晶性聚合物，具有较高的成型收缩率，在使用过程中会存在护套收缩的情况，当收缩到一定程度会将护套脱离连接器，造成缆芯暴露，从而影响光缆的可靠性。
现有技术第二的技术方案是：绕包松套技术路线是采用氟材料的薄膜绕包光纤构成光纤的保护层，增强单元同样采用纤维材料，外护套同样采用氟塑料挤出成型。该技术路线缓冲材料主要为氟塑料，在高低温下会有一定的收缩，且松套结构光纤余长不易控制，高低温应力交变下光纤余长的分布不均会导致损耗逐渐增大，外护套同样采用氟塑料，也存在较大的收缩问题，长期使用下会导致结构尺寸不稳定。
宇航环境下，温度交变快、温变范围宽，上述技术方案均用到了氟塑料，在外护套制作过程中均需采用高温挤塑成型，成型后收缩不可避免，目前主要的手段是采用热处理的方式降低宇航用光缆的收缩，但这种热处理的方式无法从根本上解决光缆在高低温交变下的结构稳定性问题，此外这种技术方案采用的缓冲保护应力较大，导致成缆损耗较大。
发明内容
本申请的发明目的是克服现有的光缆损耗大、可靠性低的缺点，而提供一种新型的低损耗、高可靠的宇航用光缆。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的一种宇航用光缆的制造方法，光缆包括：光纤、缓冲层、增强层和外护层，缓冲层包裹在光纤外侧，增强层包裹在缓冲层外侧，外护层包裹在增强层外侧，其制造方法包括以下步骤：
(a)制造光纤；
(b)通过挤塑方式在光纤外侧形成一层缓冲层；
(c)在缓冲层外侧编织增强层；
(d)在增强层外侧通过编织或包饶方式包裹护一层外护层；
其中：
步骤(a)中的光纤包括：纤芯、包层和涂覆层，其中在纤芯与包层中添加0.03～0.5％的氟元素，涂覆层为紫外光固化的丙烯酸树脂，在20Mrad辐照剂量下，辐照感生损耗应低于4dB/100m；
在步骤(b)中，采用挤塑机，在发泡挤塑过程中，挤塑温度控制在370℃～400℃，发泡度达到60％～65％，泡孔尺寸控制在20um以下，挤塑后的包覆有缓冲层的光纤用冷却水进行冷却，冷却水温低于80℃，缓冲层(2)薄壁厚度控制在0.2mm～0.3mm；
在步骤(c)中，在缓冲层外用16股纤维丝编织构成增强层，纤维放线张力0.5N～1N；
在步骤(d)中，在增强层外用纤维丝编织方式形成外护层，编织外护层纤维丝的弹性模量大于2.1Gpa，它在-150℃～300℃温度范围下工作，外护层用24股纤维丝编织构成外护层，编织节距控制在10mm以内，编织密度大于99.9％，纤维放线张力1N～1.5N；或者在增强层外用薄膜绕包方式形成外护套，它在-150℃～300℃温度范围下工作，拉伸模量大于200MPa，薄膜厚度为50um，绕包过程中薄膜绕包张力为1N～1.5N，薄膜绕包角度大于60度。
本发明的一种宇航用光缆的制造方法，其中：在步骤(b)中，所述缓冲层为低膨胀稳定型缓冲层，缓冲层为膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香族聚合物中的任一种。
本发明的一种宇航用光缆的制造方法，其中：在步骤(c)中，增强层为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维、碳纤维、不锈钢丝的任一种，通过编织的方式形成。
本发明的一种宇航用光缆的制造方法，其中在步骤(d)中，所述外护套的纤维为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的任一种，采用物理编织方式形成外护套。
本发明的一种宇航用光缆的制造方法，其中：在步骤(d)中，所述外护套的薄膜为聚酰亚胺薄膜、芳香族聚合物薄膜、聚醚醚酮薄膜中的任一种，采用绕包方式形成外护套。
本发明中光纤外的缓冲层设计为低膨胀稳定型结构层，其线膨胀系数与光纤的相近，可以最大化降低温度应力对光纤的影响，同时还可以缓冲光缆其它外层结构及外界环境应力对光纤的直接作用，避免光纤产生微弯，造成损耗增大，从而实现光缆的低损耗。外护套采用高稳定性单元设计，均为高强高模材料，具有尺寸稳定的特点，工艺实现均采用物理成型方式，不同于传统宇航光缆高温护套挤塑成型方式，避免了高分子材料高温加工过程残余应力的产生，极大的提高了光缆的结构可靠性。
附图说明
图1是本发明的宇航用光缆编织外护套结构示意图。
图2是图1中光纤的放大示意图。
在图1和图2中，标号1为光纤；标号2为缓冲层；标号3为增强层；标号4为外护层；标号5为涂覆层；标号6为纤芯；标号7为包层。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本发明光缆包括：光纤1、缓冲层2、增强层3和外护层4，缓冲层2包裹在光纤1外侧，增强层3包裹在缓冲层2外侧，外护层4包裹在增强层3外侧，
其制造方法包括以下步骤：
(a)制造光纤1；光纤1包括：纤芯6、包层7和涂覆层5，其中在纤芯6与包层7中添加0.03～0.5％的氟元素，涂覆层5为紫外光固化的丙烯酸树脂，在20Mrad辐照剂量下，辐照感生损耗应低于4dB/100m；
(b)通过挤塑方式在光纤1外侧形成一层缓冲层2；采用挤塑机，在发泡挤塑过程中，挤塑温度控制在370℃～400℃，发泡度达到60％～65％，泡孔尺寸控制在20um以下，挤塑后的包覆有缓冲层2的光纤1用冷却水进行冷却，冷却水温低于80℃，缓冲层(2)薄壁厚度控制在0.2mm～0.3mm；缓冲层2为低膨胀稳定型缓冲层，缓冲层2为膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香族聚合物中的任一种；
(c)在缓冲层外侧编织增强层；在缓冲层2外用16股纤维丝编织构成增强层3，纤维放线张力0.5N～1N，增强层3为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维、碳纤维、不锈钢丝的任一种，通过编织的方式形成。
(d)在增强层外侧通过编织方式包裹护一层外护层；在增强层3外用纤维丝编织方式形成外护层4，，编织外护层4纤维丝的弹性模量大于2.1Gpa，它在-150℃～300℃温度范围下工作，外护层4用24股纤维丝编织构成外护层4，编织节距控制在10mm以内，编织密度大于99.9％，纤维放线张力1N～1.5N；外护套4的纤维为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的任一种，采用物理编织方式形成外护套4。
本发明的宇航用光缆包括光纤1、低膨胀稳定型缓冲层2、增强单元3及纤维外护套4。本发明中光纤1为特殊设计的耐辐照光纤，可采用纯硅芯、包层掺氟及芯包掺氟的方式，通过提高光纤纯度或特殊掺杂实现光纤的耐辐照。低膨胀稳定型缓冲层2是由膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香族聚合物中的任一种挤塑而成，由于缓冲层材质与光纤的线膨胀系数相近，产生的高低温应力对光纤的影响较低，同时其挤出后的缓冲层成型收缩率低，结构稳定可靠。增强单元3可以是聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维、碳纤维、不锈钢丝的任一种，可通过编织实现，增强单元为高强高模材料，为光缆提供一定的工作强度。纤维外护套4外护套可为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维、碳纤维中的任一种，采用物理编织方式进行外护套制作，护套材料为高强高模纤维材料，具有耐磨、强度支撑、尺寸稳定的特点，此外，外护套采用物理编织成型根本上避免了高分子材料高温加工过程残余应力的释放，极大的提高了光缆的结构可靠性，解决了传统宇航光缆护套收缩的问题。
实施例2
实施例2的步骤(a)至步骤(c)与实施例1的步骤(a)至步骤(c)相同，相同之处不再累述，不同之处是以下步骤(d)。
在步骤d中，或者在增强层3外用薄膜绕包方式形成外护套4，外护套4的薄膜为聚酰亚胺薄膜、芳香族聚合物薄膜、聚醚醚酮薄膜中的任一种，采用绕包方式形成外护套4，它在-150℃～300℃温度范围下工作，拉伸模量大于200MPa，薄膜厚度为50um，绕包过程中薄膜绕包张力为1N～1.5N，薄膜绕包角度大于60度。
本实施例中外护套5可为聚酰亚胺薄膜、芳香族聚合物薄膜、聚醚醚酮薄膜中的任一种，工艺实现方式为薄膜绕包，选用薄膜材料具有耐磨、强度支撑、尺寸稳定的特点，此外，外护套采用绕包成型根本上避免了高分子材料高温加工过程残余应力的释放，极大的提高了光缆的结构可靠性，解决了传统宇航光缆护套收缩的问题。
以上所述实施例仅仅是对本发明优选实施方法进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通技术人员对本发明技术方案做出各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定保护范围内。

Claims (5)

1.一种宇航用光缆的制造方法，光缆包括：光纤(1)、缓冲层(2)、增强层(3)和外护层(4)，缓冲层(2)包裹在光纤(1)外侧，增强层(3)包裹在缓冲层(2)外侧，外护层(4)包裹在增强层(3)外侧，其制造方法包括以下步骤：
(a)制造光纤(1)；
(b)通过挤塑方式在光纤(1)外侧形成一层缓冲层(2)；
(c)在缓冲层外侧编织增强层；
(d)在增强层外侧通过编织或包饶方式包裹护一层外护层；
其特征在于：
步骤(a)中的光纤(1)包括：纤芯(6)、包层(7)和涂覆层(5)，其中在纤芯(6)与包层(7)中添加0.03～0.5％的氟元素，涂覆层(5)为紫外光固化的丙烯酸树脂，在20Mrad辐照剂量下，辐照感生损耗应低于4dB/100m；
在步骤(b)中，采用挤塑机，在发泡挤塑过程中，挤塑温度控制在370℃～400℃，发泡度达到60％～65％，泡孔尺寸控制在20um以下，挤塑后的包覆有缓冲层(2)的光纤(1)用冷却水进行冷却，冷却水温低于80℃，缓冲层(2)薄壁厚度控制在0.2mm～0.3mm；
在步骤(c)中，在缓冲层(2)外用16股纤维丝编织构成增强层(3)，纤维放线张力0.5N～1N；
在步骤(d)中，在增强层(3)外用纤维丝编织方式形成外护层(4)，编织外护层(4)纤维丝的弹性模量大于2.1Gpa，它在-150℃～300℃温度范围下工作，外护层(4)用24股纤维丝编织构成外护层(4)，编织节距控制在10mm以内，编织密度大于99.9％，纤维放线张力1N～1.5N；或者在增强层(3)外用薄膜绕包方式形成外护套(4)，它在-150℃～300℃温度范围下工作，拉伸模量大于200MPa，薄膜厚度为50um，绕包过程中薄膜绕包张力为1N～1.5N，薄膜绕包角度大于60度。
2.如权利要求1所述宇航用光缆的制造方法，其特征在于：在步骤(b)中，所述缓冲层(2)为低膨胀稳定型缓冲层，缓冲层(2)为膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香族聚合物中的任一种。
3.如权利要求2所述宇航用光缆的制造方法，其特征在于：在步骤(c)中，增强层(3)为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维、碳纤维、不锈钢丝的任一种，通过编织的方式形成。
4.如权利要求3所述宇航用光缆的制造方法，其特征在于：在步骤(d)中，所述外护套(4)的纤维为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维、特种玻璃纤维、镀金属纤维、玄武岩纤维和碳纤维中的任一种，采用物理编织方式形成外护套(4)。
5.如权利要求3所述宇航用光缆的制造方法，其特征在于：在步骤(d)中，所述外护套(4)的薄膜为聚酰亚胺薄膜、芳香族聚合物薄膜、聚醚醚酮薄膜中的任一种，采用绕包方式形成外护套(4)。
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