CN114924346B - 保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 - Google Patents
保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114924346B CN114924346B CN202210610354.2A CN202210610354A CN114924346B CN 114924346 B CN114924346 B CN 114924346B CN 202210610354 A CN202210610354 A CN 202210610354A CN 114924346 B CN114924346 B CN 114924346B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- coating
- point
- layer
- polarization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 241
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 183
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 11
- -1 coating method Substances 0.000 title description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 172
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 78
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 47
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 32
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 16
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 6
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 7
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 29
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 27
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000004831 Hot glue Substances 0.000 description 7
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 208000025174 PANDAS Diseases 0.000 description 3
- 208000021155 Paediatric autoimmune neuropsychiatric disorders associated with streptococcal infection Diseases 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000004718 Panda Species 0.000 description 2
- 235000016496 Panda oleosa Nutrition 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 108700041286 delta Proteins 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000013007 heat curing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
- B05D5/10—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures to obtain an adhesive surface
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
- B05D7/50—Multilayers
- B05D7/56—Three layers or more
- B05D7/58—No clear coat specified
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
本申请公开了一种保偏三层涂敷光纤，包括：沿径向由内向外依次设置的芯层、应力区、包层、内涂层、中间涂层和外涂层；其中，所述外涂层的第一tg点大于所述中间涂层的第二tg点，所述外涂层在温度小于所述第一tg点时为固态，可用于光纤绕环；在温度大于所述第一tg点时为液态，用于在绕环后使光纤粘黏在一起，形成光纤环。其可以解决现有技术中采用常规双涂敷层保偏光纤绕制光纤环而导致效率低、成本高，以及光纤环精度受到限制的问题。
Description
技术领域
本申请涉及特种光纤产品技术领域，更具体地，涉及一种保偏三层涂敷光纤、一种光纤涂敷方法、一种光纤环制备方法、光纤环以及陀螺惯导系统。
背景技术
陀螺主要分为机械陀螺、光纤陀螺和激光陀螺，机械陀螺优势是价格便宜，但导航精度低；激光陀螺优势是导航精度高，但价格高且可靠性较差；光纤陀螺价格适中，且精度满足当前大部分应用需求，并且最大优势是可靠性高，因此广泛应用于军工和航天领域，如导弹和航天器等高精尖惯导系统。
光纤环是光纤陀螺的重要组成部分，其性能直接影响陀螺的精度，而常规双涂敷层保偏光纤用于制备光纤环有以下几个痛点：(1)常规双层涂敷光纤绕环是通过边绕边刷胶模式，极大限制了绕环速度，并且绕环工种待遇高，导致绕环成本高且效率低；(2)由于绕环过程中需要人进行刷胶，很难控制光纤每处的刷胶量一致，而刷胶量不一致会导致光纤环应力不对称，直接限制了光纤环的精度。鉴于以上痛点，常规双涂敷层保偏光纤用于绕制光纤环，效率低、成本高，以及光纤环精度受到限制，使得近年来保偏光纤陀螺市场受到机械陀螺的价格冲击和激光陀螺的精度冲击。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种保偏三层涂敷光纤以及一种保偏三层涂敷光纤制备方法，旨在解决现有技术中采用常规双涂敷层保偏光纤绕制光纤环而导致效率低、成本高，以及光纤环精度受到限制的问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种保偏三层涂敷光纤，包括：沿径向由内向外依次设置的芯层、具有应力区的包层、内涂层、中间涂层和外涂层；其中，所述外涂层的第一tg点大于所述中间涂层的第二tg点，所述外涂层在温度小于所述第一tg点时为固态，可用于光纤绕环；在温度大于所述第一tg点时为液态，用于在绕环后使光纤粘黏在一起，形成光纤环，所述第一tg点为所述外涂层的软化温度，所述第二tg点为所述中间涂层的玻璃化转变温度。
在本发明的一个实施例中，所述中间涂层的第二tg点大于所述内涂层的第三tg点，所述第三tg点表示所述内涂层的玻璃化转变温度。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层的第一tg点取值范围为[50℃，300℃]；和/或，所述中间涂层的第二tg点取值范围为[10℃，150℃]；和/或，所述内涂层的第三tg点取值范围为[-100℃，-10℃]。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层的第一tg点取值范围为[85℃，200℃]。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层的第一tg点高于+85℃，所述内涂层的第三tg点低于-45℃，所述外涂层在-45℃至+85℃的温度范围内具有柔性热塑态。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层在2.5％应变时的拉伸断裂模量范围为100～1000Mpa。
在本发明的一个实施例中，所述光纤的抗拉强度M50％不低于3.8GPa；和/或，所述光纤的应力腐蚀敏感性参数nd值不低于18。
在本发明的一个实施例中，当所述外涂层的2.5％应变拉伸断裂模量介于400～700Mpa时，所述光纤的抗拉强度M50％大于4.2GPa，且应力腐蚀敏感性参数nd值大于20。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层厚度范围为1～8μm。
在本发明的一个实施例中，所述内涂层的涂层厚度与所述中间涂层的涂层厚度的比值范围为[0.8，1.2]。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种光纤涂敷方法，包括：提供包括沿径向由内向外依次设置的芯层、应力区、包层、内涂层、中间涂层的保偏双层涂敷光纤；将外涂层在预设涂敷温度下均匀涂敷于所述中间涂层外侧，形成如上述中任意一个实施例所述的保偏三层涂敷光纤；其中，所述预设涂敷温度大于所述外涂层的第一tg点。
在本发明的一个实施例中，所述预设涂敷温度大于所述第一tg点20～30℃、且不超过200℃。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层在所述预设涂敷温度下的黏度≤5000/mPa.s。
在本发明的一个实施例中，所述外涂层与所述中间涂层的附着力不小于10N。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种光纤环制备方法，包括：提供如上述中任意一个实施例所述的保偏三层涂敷光纤；对所述保偏三层涂敷光纤进行绕环，并在绕环完成后进行加热处理，使所述外涂层融化，将绕环后的光纤粘黏在一起；对加热处理后的光纤进行冷却固化，形成光纤环。
在本发明的一个实施例中，所述加热处理使所述外涂层的温度大于所述第一tg点、且小于等于所述第一tg点+10℃。
按照本发明的第四个方面，还提供了一种光纤环，所述光纤环由上述任意一个实施例所述的光纤环制备方法所制备得到。
在本发明的一个实施例中，所述光纤环的环体应力对称；和/或，所述光纤环的-40℃～60℃全温极差不大于0.03°/h。
按照本发明的第五个方面，还提供了一种陀螺惯导系统，选用如上述中任意一个实施例所述的光纤环制备方法制备得到的光纤环。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过在现有的双层涂敷光纤的基础上引入外涂层，其温度小于第一tg点时为固态，可直接用于光纤绕环，其温度大于第一tg点时为液态，可使绕环后光纤粘黏在一起，形成光纤环，相比于传统边绕环边人工刷胶的方式省去了人工刷胶成本，实现完全自动化生产，使得在低精度陀螺市场，应用该光纤的陀螺相比机械陀螺更具有优势；
(2)本发明提供的光纤环制备方法通过对涂敷外涂层后的保偏三层涂敷光纤进行高速绕环，高速绕环后的光纤通过温箱加热使得外涂层融化，使绕环光纤粘黏在一起形成光纤环，可以通过控制外涂层的几何一致性来保证光纤每一处的胶量一致性，解决了人工刷胶过程中难以控制刷胶量均匀性和边绕环边刷胶导致效率低的问题，能够极大地提升光纤绕环转速，使得绕环效率极大提高，以实现提高光纤绕环产能，并且避免刷胶量不一致导致光纤应力不对称的问题，能够有效提高光纤环精度；
(3)本发明采用三层涂敷光纤的结构设计，相比于现有的双层涂敷光纤增加了外涂层对光纤的保护，使其机械性能得到显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种保偏三层涂敷光纤的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种保偏三层涂敷光纤的芯层、应力层、包层相对折射率差的剖面结构示意图；
图3a为本申请实施例提供的一种保偏三层涂敷光纤的光纤环应力测试图；
图3b为与图3a同类型的双层涂敷结构光纤的光纤环应力测试图；
图4a为本申请实施例提供的一种保偏三层涂敷光纤的光纤环精度测试图；
图4b为与图4a同类型的双层涂敷结构光纤的光纤环精度测试图；
图5a为本申请实施例提供的一种保偏三层涂敷光纤的抗拉强度测试图；
图5b为与图5a同类型的双层涂敷结构光纤的抗拉强度测试图；
图6为本申请实施例提供的一种光纤涂敷方法的流程图；
图7为本申请实施例提供的一种光纤环制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，本发明第一实施例提出一种保偏三层涂敷光纤，例如包括沿径向由内向外依次设置的芯层1、具有应力区2的包层3、内涂层4、中间涂层5和外涂层6。
其中，外涂层6的软化温度为第一tg点，中间涂层5的玻璃化转变温度为第二tg点，内涂层4的玻璃化转变温度为第三tg点。外涂层6的第一tg点大于中间涂层5的第二tg点。外涂层6在温度小于所述第一tg点时为固态，整体的保偏三层涂敷光纤可直接用于光纤绕环；外涂层6在温度大于第一tg点时为液态，其具有粘性，在绕环完成后可使光纤粘黏在一起，形成光纤环。第一tg点为外涂层的软化温度，表示热熔胶从固态变成液态，第二tg点为中间涂层的玻璃化转变温度。
外涂层6例如为一种热熔胶水，其温度低于所述第一tg点时为固态，温度高于所述第一tg点时为液态，并且，所述外涂层6以热固化的方式涂敷于中间涂层5的外侧。如此一来，形成了三层涂敷结构设计，外涂层6的玻璃化转变温度高于中间涂层5的玻璃化转变温度，保证光纤环后续温度老化可靠性试验中，热熔胶水不会再次融化。
由于外涂层6以热固化的方式涂敷于中间涂层5外侧，其温度小于第一tg点时为固态，三层涂敷光纤可直接进行光纤绕环，其温度大于第一tg点时为液态，可使绕环后光纤粘黏在一起，形成光纤环，无需后续额外的人工刷胶步骤，能够实现完全自动化生产，省去了人工刷胶绕环成本，使得在低精度陀螺市场，应用该保偏三层涂敷光纤的陀螺相比机械陀螺更具有优势。
具体的，光纤在涂敷外涂层6后例如直接进行高速绕环，使外涂层6均匀环绕中间涂层5，绕环后再通过温箱加热方式使得光纤外涂层6热熔胶水熔化，与中间涂层5粘黏在一起形成光纤环，最后通过降温处理使光纤环固化。如此一来，相比于在光纤绕环过程中进行人工刷胶的方式而言能够极大地提升光纤绕环转速，使得绕环效率极大提高，以实现提高光纤绕环产能。
同时，可以通过控制外涂层6涂敷的几何一致性来保证光纤每一处的胶量一致性，解决了人工刷胶过程中难以控制刷胶量均匀性问题，避免了刷胶量不一致而导致光纤应力不对称，能够有效提高光纤环精度。
需要说明的是，本发明实施例提出的保偏三层涂敷光纤既可以是熊猫型保偏光纤(即具有两个对称的应力区结构)，也可以是其它类型陀螺用保偏光纤，只要以上述实施方式中的保偏三层涂敷光纤结构进行设置，即可实现提高绕环效率和光纤环精度的技术效果，本发明并不以此为限制。
进一步的，中间涂层5的第二tg点大于内涂层4的第三tg点。第三tg点表示内涂层的玻璃化转变温度。由于外涂层6进行高温加热融化后会与中间涂层5成为一体，因此中间涂层5的第二tg点大于内涂层4的第三tg点能使光纤环具有稳定结构，其内涂层4为较低的璃化转变温度，使得光纤具备较好的低温性能；中间涂层5为较高的玻璃化转变温度，使得光纤具备较好的高温性能。
进一步的，外涂层6的第一tg点取值范围例如为[50℃，300℃]，满足上述温度取值范围能够一定程度上避免第一tg点取值过高导致外涂层6进行高温加热融化时对温箱要求很高，造成成本提高，以及第一tg点取值过低导致光纤环冷却固化后机械性能差的问题。经过多次工程实验，优选的第一tg点取值范围为[85℃，200℃]，更优的为[95℃，125℃]。
进一步的，中间涂层5的第二tg点取值范围例如为[10℃，150℃]，能够在常温工作状态下有效抵抗外界应力，保证光纤的机械性性能。经过多次工程实验，优选的第二tg点取值范围为[50℃，150℃]。
进一步的，内涂层4的第三tg点取值范围例如为[-100℃，-10℃]，在常温工作状态下较软，能够起到保护玻璃，缓冲应力的功能。经过多次工程实验，优选的第三tg点取值范围为[-100℃，-30℃]。
进一步的，外涂层的第一tg点高于+85℃；内涂层的第三tg点低于-45℃；外涂层在-45℃至+85℃的温度范围内具有柔性热塑态，保证光纤在该范围内有优异的串音稳定性。
其中，所述芯层1可选为掺锗石英，其横断面直径D1可取5～7μm，相对折射率差Δ1可取0.6％～0.9％；优选的，其横断面直径D1为5.5～6.5μm，相对折射率差Δ1取0.6％～0.85％。
所述应力区2可选为掺硼石英，以熊猫型保偏光纤为例，其横断面外直径D2和D3相等，可取20～30μm，相对折射率差Δ2可取﹣0.4％～﹣0.9％；优选的，其横断面外直径D2为23～27μm，相对折射率差Δ2取﹣0.5％～﹣0.6％。
所述相对折射率差的计算公式为：
Δ＝(n1 2－n2 2)/2n1 2
其中，n1为该材质的绝对折射率，n2为纯二氧化硅(SiO2)的绝对折射率。
一般来说，应力区的直径以及掺杂深度的增加，光纤的双折射性能越强，光纤串音稳定性越好。然而，考虑到光纤作为军工陀螺用的传输性能和机械性能，硼的掺杂量不可能无限地提高。传输性能包括截止波长、模场直径、本征衰耗、拍长和串音；机械性能包括抗拉强度M值、应力腐蚀敏感性参数ND、筛选强度、光纤宏弯等。
所述包层3可选为纯石英，其横断面外直径D4可选为38～127μm；
进一步的，所述内涂层4的横断面外直径的取值范围为[40μm，200μm]；所述中间涂层5的横断面外直径的取值范围为[70μm，250μm]；所述外涂层6的横断面外直径的取值范围为[80μm，350μm]。
进一步的，所述内涂层4的涂层厚度与所述中间涂层5的涂层厚度的比值范围为[0.8，1.2]，最优比值为1，保证光纤优秀串音性能。
进一步的，所述外涂层6例如采用高分子热熔胶材料，如主要基材为PE或者PEV的热塑性材料，例如需要满足如下参数条件：
| 外观 | 浅色，通透性好 |
| 粘度(25℃)/mPa.s@涂敷温度 | ≤5000/mPa.s |
| 拉伸强度(MPa) | 20MPa～40MPa |
| 断裂伸长率(％) | ≥30％ |
| 2.5％应变时拉伸断裂模量(MPa) | 100～1000MPa |
| 热熔胶与中间涂层附着力(N) | ≥10N |
| 软化点温度 | ≥85℃ |
| 热膨胀系数/ppm/℃ | ≤50ppm/℃ |
| 抗拉强度M50％ | ≥3.8Gpa |
| 热熔胶绕环后冷却固化时间 | ≤30s |
在本发明提出的保偏三层涂敷光纤中，内涂层4的2.5％应变模量最小，例如小于3MPa；中间涂层5的2.5％应变模量最大，例如大于500MPa；外涂层6的2.5％应变模量适中，例如为100～1000MPa，更优范围为400～700Mpa，能够兼顾外涂层柔软性和机械性能，相比于现有的双层涂敷结构光纤增加了外涂层6对光纤的保护，使其机械性能得到显著提高。当外涂层6的2.5％应变拉伸断裂模量介于100～1000Mpa时，光纤的抗拉强度M50％大于3.8GPa，且应力腐蚀敏感性参数nd值大于18；当外涂层6的2.5％应变拉伸断裂模量介于400～700Mpa，光纤的抗拉强度M50％大于4.2GPa，且应力腐蚀敏感性参数nd值＞20。
在一个实施方式中，外涂层6的厚度范围例如为1～8μm，能够有效避免胶量过大导致加热后胶水流动，破坏光纤排线以及光纤环形状。当然，在本实施例的其它实施方式中，外涂层6的厚度范围可根据需要设置的光纤外径和中间涂层5的厚度进行适应性设置，本发明并不以此为限制。根据光纤应用，厚度越薄越好，绕环后光纤环有较好的串音稳定性，但是不能低于1um，根据试验低于1um后热熔胶太少不能保证绕环后光纤之间粘黏在一起。
如此一来，本发明提出的保偏三层涂敷光纤可以通过控制外涂层6直径来保证绕环后光纤每处的胶水量一致，例如控制光纤外径均匀性范围为±1μm，使得光纤环整体应力对称，能够有效提高光纤环精度，解决传统绕环工序由于刷胶量无法精确控制使得光纤环存在应力点，影响光纤环精度的问题。
如图2所示为芯层和应力区的相对折射率差。本发明提出的保偏三层涂敷光纤相比常规双层涂敷结构光纤绕环后，光纤环应力对称性、光纤环精度以及光纤机械性能更优。两种光纤绕制内圈直径98mm、环长1280m的光纤环，光纤环应力对比测试(如图3a和3b所示，由曲线对称性表征光纤环精度)，光纤环精度对比测试(如图4a和4b所示，平滑线纵轴表示温度，波浪线纵轴表示偏转角度)，光纤本征抗拉强度测试对比(如图5a和5b所示)。图3b、4b、5b所示测试图的双层涂敷结构光纤与图3a、4a、5a所示测试图的三层涂敷结构光纤为同类型，即具有相同结构的芯层、应力区、内涂层和中间涂层。
如图3(a)、图4(a)及图5(a)所示，所述保偏三层涂敷光纤绕环后环体应力对称；-40℃～60℃全温极差为0.0256°/h，≤0.03°/h；光纤抗拉强度M50％≥4.0GPa。如图3(b)、图4(b)及图5(b)所示，双层涂敷结构光纤绕环后环体存在应力点不对称，-40℃～60℃全温极差≥0.03°/h，光纤抗拉强度M50％≤4.0GPa，相比本申请提出的保偏三层涂敷光纤而言不仅在光纤机械性能还是绕环后的光纤环精度均要差很多。
如下表3所示，实施方式1至5为不同参数下的保偏三层涂敷光纤的性能；如图4(a)所示为本发明的保偏三层涂敷光纤在实施方式5的各参数下的绕成光纤环的性能，-40℃～60℃的全温极差≤0.03°/h，如图5(a)所示，抗拉强度M50％为4.56GPa，≥4.0GPa；图5(b)中抗拉强度M50％为3.91GPa，≤4.0GPa。如下表2所示，绕内径98mm环的速度达到2050转/分钟。
本发明实施方式1～5所用的外层热熔胶水涂料参数见表1。
本发明实施方式5与常规双层涂敷光纤绕环速度数据见表2。
本发明实施方式1～5的光纤参数数据见表3。
表1
| 热熔胶水涂料 | 实施方式1～5 |
| 玻璃化转变温度tg点/℃ | 107 |
| 粘度/mPa.s@160℃ | 5000 |
| 热膨胀系数/ppm/℃ | 26 |
| 2.5％应变模量/MPa | 875 |
| 高温涂敷冷却时间 | 15s |
表2
| 样品 | 绕内径98mm环的速度 |
| 实施方式5的光纤 | 2050转/分钟 |
| 常规双层涂敷保偏光纤 | 35转/分钟 |
表3
测试显示，本发明实施方式1～5中提供的保偏三层涂敷光纤，绕制内径98mm、环长1280m的光纤环，达到了绕环速度为2050转/分钟，-40℃～60℃的光纤环全温极差精度≤0.03°/h，光纤抗拉强度M50％≥4.0GPa，筛选强度≥100kpsi的指标要求。
另外，如图6所示，本发明第二实施例提出一种光纤涂敷方法，例如包括：步骤S21，提供包括沿径向由内向外依次设置的应力区、包层、内涂层、中间涂层的保偏双层涂敷光纤；步骤S22将外涂层在预设涂敷温度下均匀涂敷于所述中间涂层外侧，形成如第一实施例中所述保偏三层涂敷光纤；其中，所述预设涂敷温度大于所述外涂层的第一tg点。
内涂层和中间涂层同常规保偏双层涂敷光纤生产，外涂层采用离线或者和内外涂层在线一起涂敷；所述离线方式涂敷即在常规保偏双层涂敷光纤产品基础上涂敷外涂层，所述在线涂敷方式即逐层制作，先涂敷内层，再涂敷中间涂层，最后涂层外涂层。
具体的，所述外涂层的高温涂敷流程具体包括如下参数设计：涂敷方式为热固化，涂敷温度范围例如为[150℃，350℃]；反应环境例如设置为无氧且水汽小于5％RH；涂敷后通过惰性气体如N2进行冷却固化，冷却固化的温度低于第一tg点，冷却时间范围例如设置为[5s，30s]。外涂层与中间涂层的附着力例如≥10N，保证外涂层完成后稳固附着在中间涂层外侧。最终对外涂层与中间涂层的附着力进行测试，附着力小会导致绕环后光纤与光纤之间粘不紧。
一般通过通入氮气等惰性气体进行无氧环境的制备，要求水汽小于5％RH，这样才能保证热熔胶外涂层与中间涂层之间的结合力以及光纤表面的光滑度。进一步的，所述预设涂敷温度大于所述第一tg点20～30℃、且不超过200℃，保证外涂层处于软化状态，利于涂敷的均匀性，同时避免涂敷温度过高导致对其他涂层的结构破坏，以及加热温度高对温箱要求高导致提高成本的问题。优选的，所述涂敷温度设置为[150℃，200℃]，这样在保证内涂层和中间涂层的温度承受范围内降低外涂层热熔胶水的黏度，有利于提升涂敷速度。
值得一提的是，本发明第二实施例公开的光纤涂敷方法适用于制备前述第一实施例所述的保偏三层涂敷光纤，具体的保偏三层涂敷光纤的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的内容，故在此不再进行详细讲述，且本实施例提出的光纤涂敷方法具有与前述第一实施例相同的有益效果，为了简洁，不在此赘述。
再者，本发明第三实施例提出一种光纤环制备方法，例如包括：步骤S31，提供如第一实施例中所述的保偏三层涂敷光纤；步骤S32，对所述保偏三层涂敷光纤进行绕环，并在绕环完成后进行加热处理，使所述外涂层融化，将绕环后的光纤粘黏在一起；步骤S33，对加热处理后的光纤进行冷却固化，形成光纤环。具体的保偏三层涂敷光纤的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的内容，故在此不再进行详细讲述。
具体的，所述加热处理需大于外涂层的第一tg点(即软化点)，进一步的，温度例如控制在比软化点大10℃以内，如外涂层软化点≥85℃，该加热处理温度≥95℃，能够避免温度过高导致外涂层热熔胶流动。水气例如控制在≤45％RH，水气越小越好；加热处理时间例如控制在≤20h，避免时间太久导致光纤涂层过老化。
进一步的，光纤通过降温进行冷却固化，冷却温度例如≤25℃，冷却距离例如≥5米，光纤从液态变成固态冷却时间要求例如≤1s，并且在实现将光纤从液态变为固态的前提下冷却时间要求越小越好。此外，光纤高温加热处理环境可以为普通空气环境，对氧气无特俗要求，较佳为氮气环境。冷却固化温度大于25℃会导致固化速度慢，不能满足要求。冷却距离为涂敷位置到经过收线导轮之间距离，没完全固化就经过导轮会导致光纤外涂层变形。
值得一提的是，本发明第三实施例公开的光纤环制备方法通过第一实施例中的保偏三层涂敷光纤进行绕环形成光纤环，具体的保偏三层涂敷光纤的结构及其实现的功能可参考第一实施例所述的内容，故在此不再进行详细讲述，且本实施例提出的光纤环制备方法具有与前述第一实施例相同的有益效果，为了简洁，不在此赘述。
本发明第四实施例还提出一种光纤环，所述光纤环由上述第三实施例所述的光纤环制备方法所制备得到。进一步的，所述光纤环的环体应力对称；和/或，所述光纤环的-40℃～60℃全温极差不大于0.03°/h。具体的光纤环制备方法的步骤及其实现的功能可参考第三实施例所述的内容，故在此不再进行详细讲述，且本实施例提出的光纤环具有与前述第三实施例相同的有益效果，为了简洁，不在此赘述。
此外，本发明第四实施例还提出一种陀螺惯导系统，选用如第三实施例中所述的光纤环制备方法制备得到的光纤环。具体的光纤环制备方法的步骤及其实现的功能可参考第三实施例所述的内容，故在此不再进行详细讲述，且本实施例提出的陀螺惯导系统具有与前述第三实施例相同的有益效果，为了简洁，不在此赘述。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种保偏三层涂敷光纤，其特征在于，包括：
沿径向由内向外依次设置的芯层、具有应力区的包层、内涂层、中间涂层和外涂层；
其中，所述外涂层的第一tg点大于所述中间涂层的第二tg点，所述外涂层在温度小于所述第一tg点时为固态，可用于光纤绕环；在温度大于所述第一tg点时为液态，用于在绕环后使光纤粘黏在一起，形成光纤环，所述第一tg点为所述外涂层的软化温度，所述第二tg点为所述中间涂层的玻璃化转变温度；
所述中间涂层的第二tg点大于所述内涂层的第三tg点，所述第三tg点表示所述内涂层的玻璃化转变温度；
所述外涂层的第一tg点取值范围为[50℃，300℃]；
所述中间涂层的第二tg点取值范围为[10℃，150℃]；
所述内涂层的第三tg点取值范围为[-100℃，-10℃]。
2.根据权利要求1所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述外涂层的第一tg点取值范围为[85℃，200 ℃]。
3.根据权利要求1所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述外涂层的第一tg点高于+85°C，所述内涂层的第三tg点低于-45°C，所述外涂层在-45°C至+85°C的温度范围内具有柔性热塑态。
4.根据权利要求1或2所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述外涂层在2.5%应变时的拉伸断裂模量范围为100~1000Mpa。
5.根据权利要求4所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述光纤的抗拉强度M50%不低于3.8 GPa；和/或，
所述光纤的应力腐蚀敏感性参数nd值不低于18。
6.根据权利要求4所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，当所述外涂层的2.5%应变拉伸断裂模量介于400~ 700 Mpa时，所述光纤的抗拉强度M50%大于4.2GPa，且应力腐蚀敏感性参数nd值大于20。
7.根据权利要求1或2或3所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述外涂层厚度范围为1~8μm。
8.根据权利要求7所述的保偏三层涂敷光纤，其特征在于，所述内涂层的涂层厚度与所述中间涂层的涂层厚度的比值范围为[0.8，1.2]。
9.一种光纤涂敷方法，其特征在于，包括：
提供包括沿径向由内向外依次设置的芯层、应力区、包层、内涂层、中间涂层的保偏双层涂敷光纤；
将外涂层在预设涂敷温度下均匀涂敷于所述中间涂层外侧，形成如权利要求1至8中任意一项所述的保偏三层涂敷光纤；
其中，所述预设涂敷温度大于所述外涂层的第一tg点。
10.根据权利要求9所述的光纤涂敷方法，其特征在于，所述预设涂敷温度大于所述第一tg点20~30℃、且不超过200℃。
11.根据权利要求9所述的光纤涂敷方法，其特征在于，所述外涂层在所述预设涂敷温度下的黏度≤5000/mPa.s。
12.根据权利要求9或11所述的光纤涂敷方法，其特征在于，所述外涂层与所述中间涂层的附着力不小于10N。
13.一种光纤环制备方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至8中任意一项所述的保偏三层涂敷光纤；
对所述保偏三层涂敷光纤进行绕环，并在绕环完成后进行加热处理，使所述外涂层融化，将绕环后的光纤粘黏在一起；
对加热处理后的光纤进行冷却固化，形成光纤环。
14.根据权利要求13所述的光纤环制备方法，其特征在于，所述加热处理使所述外涂层的温度控制在大于所述第一tg点10℃以内。
15.一种光纤环，其特征在于，所述光纤环由权利要求13或14中任意一项所述光纤环制备方法所制备得到。
16.根据权利要求15所述的光纤环，其特征在于，所述光纤环的环体应力对称；和/或，
所述光纤环的-40℃~60℃全温极差不大于0.03°/h。
17.一种陀螺惯导系统，其特征在于，选用如权利要求13至14中任意一项所述的光纤环制备方法制备得到的光纤环。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210610354.2A CN114924346B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210610354.2A CN114924346B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114924346A CN114924346A (zh) | 2022-08-19 |
| CN114924346B true CN114924346B (zh) | 2024-01-05 |
Family
ID=82811703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210610354.2A Active CN114924346B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114924346B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008040369A (ja) * | 2006-08-10 | 2008-02-21 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光ファイバ |
| CN102498074A (zh) * | 2009-08-12 | 2012-06-13 | 康宁股份有限公司 | 包含多层涂层体系的光纤 |
| CN103777269A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-05-07 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种耐高温光纤 |
| CN104536085A (zh) * | 2015-01-07 | 2015-04-22 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种细径保偏光纤 |
| CN106007358A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-10-12 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种用于光纤陀螺的超细径保偏光纤及其制造方法 |
| CN106840136A (zh) * | 2017-03-27 | 2017-06-13 | 株洲菲斯罗克光电技术有限公司 | 一种光纤环的制备方法及光纤环 |
| CN108977071A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-11 | 武汉长盈鑫科技有限公司 | 一种互穿网络聚合物结构的光纤外层涂料及其制备方法 |
| CN111448170A (zh) * | 2017-12-07 | 2020-07-24 | 康宁股份有限公司 | 将油墨层施涂到光纤上的改进的方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10501370B2 (en) * | 2017-12-07 | 2019-12-10 | Corning Incorporated | Method of applying an ink layer onto an optical fiber |
-
2022
- 2022-05-31 CN CN202210610354.2A patent/CN114924346B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008040369A (ja) * | 2006-08-10 | 2008-02-21 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光ファイバ |
| CN102498074A (zh) * | 2009-08-12 | 2012-06-13 | 康宁股份有限公司 | 包含多层涂层体系的光纤 |
| CN103777269A (zh) * | 2014-01-15 | 2014-05-07 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种耐高温光纤 |
| CN104536085A (zh) * | 2015-01-07 | 2015-04-22 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种细径保偏光纤 |
| CN106007358A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-10-12 | 烽火通信科技股份有限公司 | 一种用于光纤陀螺的超细径保偏光纤及其制造方法 |
| CN106840136A (zh) * | 2017-03-27 | 2017-06-13 | 株洲菲斯罗克光电技术有限公司 | 一种光纤环的制备方法及光纤环 |
| CN111448170A (zh) * | 2017-12-07 | 2020-07-24 | 康宁股份有限公司 | 将油墨层施涂到光纤上的改进的方法 |
| CN108977071A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-11 | 武汉长盈鑫科技有限公司 | 一种互穿网络聚合物结构的光纤外层涂料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114924346A (zh) | 2022-08-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102770387B (zh) | 双涂层光纤以及用于形成该双涂层光纤的方法 | |
| CA2176594A1 (en) | Wide band optical fiber, optical fiber core wire and optical fiber cord | |
| KR960014121B1 (ko) | 피복 광파이버 | |
| CN101346654B (zh) | 光纤芯线与其评价方法 | |
| JP4663277B2 (ja) | 光ファイバ素線及びその製造方法 | |
| CN109180023B (zh) | 一种耐高温光纤及其制备方法 | |
| US8132430B2 (en) | Glass fibers having improved strength | |
| JP2013521516A (ja) | 機械的強度が高められた光ファイバ | |
| CN111505762B (zh) | 一种高精度保偏光纤及其制备方法 | |
| US4874415A (en) | Method of manufacturing a high mechanical strength optical fiber by drawing under high tension | |
| US4709987A (en) | Pressure and temperature insensitive glass and optical coatings and fibers therefrom | |
| CN114924346B (zh) | 保偏三层涂敷光纤、涂敷方法、光纤环制备方法及应用 | |
| CN114236674A (zh) | 一种超高强度细直径抗弯曲光纤 | |
| CN112666651B (zh) | 一种熊猫型保偏光纤及光纤环 | |
| JPH01280704A (ja) | 光ファイバーの製造方法 | |
| US4904052A (en) | Polarization preserving optical fiber and method of manufacturing | |
| EP0843158A2 (en) | Potted gyro sensor coil with inter-turn stress relief | |
| EP0312594B1 (en) | An improved polarization preserving optical fiber and method of manufacturing | |
| EP3872540A1 (en) | Optical fiber and forming method therefor | |
| CN110346865B (zh) | 一种多波段使用的保偏光纤 | |
| CN111170653A (zh) | 耐高温的玻璃釉光纤及其制备方法 | |
| CN114035266B (zh) | 细径光纤及其制备方法 | |
| CN114563841B (zh) | 一种封装集成一体的温度梯度增敏保偏光纤传感器 | |
| CN211086681U (zh) | 一种保偏光纤 | |
| KR100438348B1 (ko) | 길이 방향으로 굴절율이 상이한 광섬유 및 이에 적합한광섬유 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |