CN1425935A - 一种金属基复合光导纤维及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属基复合光导纤维及其制造方法，金属基复合光导纤维是由具有高折射率的石英纤芯、低折射率的石英包层及复合面构成的光导纤维外面包覆一层熔点低于光导纤维软化温度的纯金属或熔点低于光导纤维软化温度的二元、多元合金构成，产品制取是采取液固相复合方法，其具体制备方法是通过本发明设计的专用设备铸拔机中完成，将石英光纤连续通过熔化金属区、金属凝固区、纤维拉拔成型模具区，制取产品，产品的外径≥1mm；上述所获产品具有而耐高温、低温、耐腐蚀、较强的抗外部应力，同时导光、导电等优点，广泛适用于诸如航天、航空、冶金、核能、排险等具有特殊环境要求的各个领域。

Description

一种金属基复合光导纤维及其制造方法

所属技术领域

本发明涉及一种光导纤维，尤其是适用于高温、高湿或极低温度等条件下的金属基复合光导纤维及其制造方法。

技术背景

目前，已知技术中出现的石英光导纤维由具有高折射率的芯子与折射率稍低的包层组成，由于石英是硬度很高的无延展性的易碎材料，为提高其抗拉强度及耐腐蚀性能，需要在包层外再加一层涂覆层，一般为高分子材料，如环氧树脂、硅橡胶等。例如中国专利，申请号：85108254，公告日：86.04.10，名称为：“合成树脂涂层光导纤维制造方法和用该方法生产的合成树脂涂层光导纤维”中是采取给光导纤维快速涂上两层合成树脂层的方法。第一层是由活性熔融合成树脂材料所形成，该熔融合成树脂材料可用冷却凝固，然后涂上一般的可固化合成树脂组合物作为第二层，再用紫外光照射等方法使两层涂层同时固化。

但是，为保护光纤而加的涂覆层却降低了光纤的耐热性，一般仅能在-40℃～50℃之间工作。即使是美国杜邦公司(Dupont)开发的耐高温聚合物，如热固性聚酰亚胺(PI)涂层光纤，其长期使用温度也不超过350℃。

上述有机材料作为涂覆层与光导纤维复合而成的光导纤维，随温度的变化，有机树脂会产生氢气，氢气对光纤具有应力腐蚀作用，加速光纤的疲劳过程，同时氢的侵入还使光纤损耗增加。

中国专利，申请号为：93103147，公告日94.05.18发明名称为：带有极薄的氧化钛——氧化硅外包层的光导纤维及其生产方法中所描述的光纤本身具有耐高温能力，但其只是半成品，外部仍需其它有机或无机材料进行保护。

上述光导纤维产品作为信息传递材料，在室温条件下可以被很好地使用，但是，在某些恶劣环境下，如高温、高湿或极低温等条件下，由于涂覆层性能下降，光纤的使用受到限制，例如用于高温金属温度测量的光导纤维耦合式热金属检测器，轧机上使用的压力传感器以及各种机器人的传感器等，都是在恶劣环境下工作。

发明内容

本发明目的是针对上述光导纤维材料在使用中存在的环境适应问题及特殊用途需要，提供一种以金属或合金与光导纤维复合而成一种新型导光、导电、抗高温、耐腐蚀的金属基复合光导纤维及制造方法。

本发明金属基复合光导纤维的技术解决方案是：在包含有高折射率的石英纤芯，低折射率的石英包层及复合面的光导纤维外面包覆一层熔点低于光导纤维软化温度的纯金属或熔点低于光导纤维软化温度的二元、多元合金。

上述所指纯金属包括Cu、Al、Ag、Au、Bi、In、Mg、Sn、Pb、Zn；合金包括：Cu-B、Cu-Zn、Cn-Zn-Al、Cu-A-Mn、Cu-Be-Ni、Cu-Be-Co、Cu-A-Fe、Cu-Sn、Cu-Ni、Cu-Fe-P、Zn-A。

本发明金属基复合光导纤维的制造是采用液固相复合方法，将纯金属或合金加热熔化，使由高折射率的石英纤芯，低折射率的石英包层及复合面构成的光导纤维连续通过液态金属区、金属凝固区、金属基复合光导纤维拉拔成型模具区，使金属基体得到小变形量的变形，改善铸态组织，最终实现金属与光纤的复合。液态金属区保温温度，以所选纯金属或合金的溶化温度为基准，金属凝固区温度控制低于纯金属或合金的熔化温度200～500℃，纤维出口速度为0.5-3m/s，所获金属基光导纤维外径≥1mm。铸拔过程可以根据金属或合金性能，在大气下或氩气保护气氛保护下进行。

上述光导纤维具体制取是将已成型的石英光导纤维，连续通过本发明设计的专用设备铸拔机中实现的。

本发明显著的效果和优点是：

经过上述方法获得的金属基复合光导纤维具有耐高温、低温、耐腐蚀，较强的抗外部应力(拉力、压力、冲击力)，同时导光、导电等优点。例如，耐高温能力可以根据基体金属或合金的熔点来确定。以Cu合金为基体的光导纤维的耐高温能力可达500-800℃.大大高于目前的光导纤维产品的耐热温度，如美国材邦公司开发的热固性聚酰亚胺涂层光纤的耐热温度仅为350℃。

这种新型通信材料可广泛应用于诸如航天、航空、冶金、核能、排险等具有特殊环境要求的军事和工业生产等各领域。例如，轧钢厂使用的热金属测量装置、压力、温度传感器等；使用金属基光导纤维可以大大提高其使用寿命和工作稳定性。

附图说明

图1是金属基复合光导纤维横截面结构示意图；

图2是金属基复合光导纤维纵截面结构示意图；

图3是本发明制取金属基复合光导纤维的铸拔机的工作示意图。

图1、图2中展示了金属基复合光导纤维是由高折射率石英纤芯1，低折射率石英包层2，复合面3及由纯金属或合金形成的金属基体4构成。具体实施方式

例1，制取金属基复合光导纤维是在如图3本发明特别设计的铸拔机上完成，铸拔机由光纤放置室1，光纤绕置轮2，保温包3，液态金属区4，保护性气氛区5，冷却段6，模具7，密封环8构成。选取石英光导纤维，金属为纯Cu，首先将石英光导纤维绕在光纤绕置轮2上，光纤头穿过液态金属区4，冷却段6，模具7，穿入摩擦辊10之间，再将要包复的金属在坩埚中加热熔化后，加入到液态金属区4内，其上部保护性气氛区5内充入氩气保护，然后将石英光纤9依靠摩擦辊10的拉拔，使石英光纤9连续通过液态金属区4，冷却段6和模具7，使金属包复在光导纤维外部；金属保温包3中的温度控制在1200-1250℃，冷却段6温度为900℃±20℃，金属基光纤出口速度为2.5m/s，所生产的金属基光导纤维外径为1mm，其复合光纤组织性能较好。

例2，选取石英光导纤维，金属为Cu-0.2B(wt％)组成的合金，采用同例1中的铸拔机制取金属基复合光导纤维产品。保温包3中的温度控制为1100℃±20℃，金属凝固区的冷却温度为850℃±5℃，其它工艺条件均与例1相同。

例3，选取石英光导纤维，金属为Cu-1.90Be-0.2Co(wt％)组成的合金，采用同例1中的铸拔机制取金属基复合光导纤维产品。保温包3中的温度控制为910℃±20℃，金属凝固区的冷却温度为800℃±5℃，其它工艺条件均同例1。

Claims (7)

1、一种金属基复合光导纤维，包括高折射率石英纤芯1、低折射率石英包层2及复合面3，其特征在于复合面3外包覆一层纯金属或合金4。

2、按照权利要求1所述的金属基复合光导纤维，其特征在于复合面3外包覆的是熔点低于光导纤维软化温度的纯金属或熔点低于光导纤维软化温度的二元、多元合金。

3、按照权利要求1、2所述的金属基复合光导纤维，其特征在于所指的纯金属包括Cu、Al、Zn、Mg、Ag、Sn、Pb、In、Bi；合金包括：Cu-B、Cu-Zn、Cn-Zn-Al、Cu-Al-Mn、Cu-Be-Ni、Cu-Be-Co、Cu-Al-Fe、Cu-Sn、Cu-Ni、Cu-Fe-P、Zn-Al。

4、按照权利要求1所述的金属基复合光导纤维的制造方法，其特征在于首先将纯金属或合金加热、熔化，再将由高折射率的石英纤芯、低折射率的石英包层及复合面构成的光导纤维，连续通过液态金属区、金属凝固区和金属基复合光导纤维拉拔成型模具区；液态金属区保温是以所选纯金属或合金的熔化温度为基准，金属凝固区冷却温度低于所选纯金属或合金的熔化温度200-500℃，金属基复合光导纤维成品出口速度为0.5-3m/s。

5、按照权利要求4所述的金属基复合光导纤维的制造方法，其特征在于所指的纯金属包括Cu，Al，Zn，Mg，Ag，Sn，Pb，In，Bi；金属包括：Cu-B，Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Al-Mn，Cu-Be-Ni，Cu-Be-Co，Cu-Al-Fe，Cu-Sn，Cu-Ni，Cu-Fe-P，Zn-Al。

6、按照权利要求4所述的金属基复合光导纤维的制造方法，其特征在于液态金属区上方根据所选纯金属或合金性能不同可充入大气或氩气气氛进行保护。

7、按照权利要求4所述的金属基复合光导纤维的制造方法，其特征在于所获金属基复合光导纤维产品的外径≥1mm。