DE2853873A1

DE2853873A1 - Herstellung einer glasfaser hoher zerreissfestigkeit

Info

Publication number: DE2853873A1
Application number: DE19782853873
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Phys Dr R Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-12-13
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2853873C2

Description

Herstellung einer Glasfaser hoher Zerreißfestigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Quarzglasfaser hoher Zerreißfestigkeit durch Ausziehen eines Quarzglas-Vorformlings.
In der Nachrichtentechnik gewinnt die optische Nachrichtenübertragung mittels Nachrichtenkabeln aus haardünnen Lichtleitfasern zunehmend an Bedeutung.
Beim Verkabeln und beim Verlegen der Kabel werden die Fasern einer hohen Zugbelastung ausgesetzt.
Sie müssen daher eine hohe Zerreißfestigkeit besitzen.
Diese Fasern werden bevorzugt dadurch hergestellt, daß ein Quarzglas-Vorformling, z.B. ein zylindrischer oder hohlzylindrischer Stab durch eine induktive Heizzone oder einen anderen Ziehofen geführt und dabei ausgezogen wird. Der Vorformling kann z.B.
auf die in "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte" 2 (1976), Seiten 171 bis 175 beschriebene Weise hergestellt sein. Unmittelbar danach wird die Faser in einem entsprechenden Schmelzbad mit einer Schicht, vorzugsweise aus Plastik, zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen überzogen.
Für die Zugfestigkeit ergibt sich aus der Bindungsenergie der Si-O-Bindung eine Obergrenze von etwa 18000 N/mm2. Tatsächlich wird diese Grenze selbst bei den besten Fasern nicht annähernd erreicht. So liegen die Spitzenwerte für 20 m lange Fasern bei Labormustern nur bei etwa 10000 N/mm2. In der Massenfertigung werden nur Werte von etwa 1000 N/mm2 erhalten.
In der Zeitschrift "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte" z (1978), Seiten 158 bis 165 werden als Ursachen für das Zerreißen der Fasern angegeben: Staubpartikel aus der Atmosphäre oder Mikrorisse auf der Oberfläche des Vorformlings, kristalline Einschlüsse in der. Glasmatrix, Verunreinigungen oder Partikel, die beim Ziehen der Fasern eingeschleppt werden und auf die Faseroberfläche gelangen, sowie Beschädigungen der Faseroberfläche, die beim Beschichten oder Aufwickeln der gezogenen Fasern sowie beim Verlegen von. ungenügend beschichteten Fasern entstehen.
Um diese Fehlerquellen weitgehend auszuschalten, werden die Oberflächen der Vorformlinge zunächst sorgfältig chemisch gereinigt und unmittelbar vor dem Ausziehen durch eine Flammenpolitur von Absorptionsstoffen, insbesondere kondensierter Feuchtigkeit, befreit, wobei gleichzeitig auch Kratzer oder Risse der Oberfläche ausgeheilt werden. Dann werden bei etwa 20000C die Vorformlinge zur Faser ausgezogen, und unmittelbar nach Verlassen des Ausziehofens in einem Bad mit der Schutzschicht überzogen, die in einem nachgeschalteten Ofen getrocknet wird. Dabei kann ein mehrfaches Beschichten und Trocknen der Fasern vorgesehen sein, bevor diese auf einer Magazintrommel aufgewickelt werden.
Von der Reinigung des Vorformlings bis zum Verlassen der Beschichtungsbäder müssen die Fasern durch eine staubfreie Atmosphäre geführt werden, die vorzugsweise durch Einblasen eines inerten Gases erzeugt wird. Diese Vorsichtsmaßnahmen reichen jedoch nicht aus, um die Bildung von Mikrorissen in den gezogenen Fasern zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Maßnahmen das Ausziehen von Fasern zu ermdglichen, die eine höhere Zerreißfestigkeit aufweisen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Aufheizen des Vorformlings im Ziehofen auf der Oberfläche des Quarzglas-Vorformlings während des Ausziehens in größerer Anzahl Tridymit- und Cristobalit-Kriställchen entstehen, die im Ziehofen nicht quantitativ aufgeschmolzen werden. Beim anschließenden Abkühlen der Fasern unter 275 0C platzen diese Kriställchen von der Faseroberfläche ab und hinterlassen einen Mikroriß. Durch röntgenographische Untersuchungen können Cristobalit-Kriställchen auf der Oberfläche des Vorformlings in beträchtlichen Umfang nachgewiesen werden. Sie können teilweise aufgeschmolzen werden, wenn die Verweilzeit des Vorformlings im Ausziehofen entsprechend lang bemessen wird, jedoch wird dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit stark herabgesetzt.
Die Erfindung geht ferner von der weiteren Erkenntnis aus, daß als Entstehungsursache dieser Kriställchen nicht nur eingeschleppte Staubteilchen, die als Kristallisationskeime wirken, sondern insbesondere auch Eigenkeime von Siliziumoxid anzusehen sind.
Bei den hohen Faserzieh-Temperaturen (etwa 2000°C) verdampft bereits ein beträchtlicher Teil des Siliziumoxids, Ein Bruchteil dieses Dampfes kondensiert auf der Oberfläche des Vorformlings und wirkt dort als Keim für die Kristallisation von Tridymit (bei Temperaturen über 11000C) und Cristow balit (Temperaturen über 14O00C). Bei den herkömmlichen Ofenkonstruktionen und den üblichen Faserziehgeschwindigkeiten (einige Meter in der Sekunde) verweilt ein Vorformling durchschnittlich etwa 1 bis 2 Std. be Temperaturen oberhalb 1100°C.
In dieser Zeit können die Kristallisationskeime zu Körnern heranwachsen, deren Größe einige 100 /um betragen kann.
Mit der Erfindung werden diese bisher unbekannten Ursachen der Faserrisse weitgehend behoben. Dies geschieht dadurch, daß auf dem Vorformling in einem vorbereitenden Arbeitsschritt zunächst eine Schicht aufgebracht wird, die beim Ausziehen an der Oberfläche des Vorformlings die Bildung von Kristallen aus Tridymit und/oder Cristobalit hemmt. Eine solche Schicht kann vorzugsweise aus Boroxid (B203) oder Boroxid und Siliziumoxid bestehen.
Eine Boroxidschicht läßt sich vorteilhaft durch Abscheiden aus einer entsprechenden Gasphase herstellen. Als Gasphase kann ein gasförmiges Gemisch aus Borchlorid (bs3) und Sauerstoff verwendet werden.
Der Vorformling kann aber auch durch Eintauchen in eine entsprechende Boroxidschmelze (B203) erzeugt werden. Da bei den Faserziehtemperaturen (etwa 20000C) der Dampfdruck des Boroxids nur etwa 0,2 Torr beträgt, genügt es, wenn diese Schicht nur wenige /um stark ist.
Vorteilhaft kann das Boroxid aus der Boroxid-Schicht bei Temperaturen, bei denen die Oberfläche des Vorformlings in einem flüssigviskosen Zustand ist, in den Vorformling eindiffundiert werden. Dadurch erhält man B203/SiO2-Oberflåchenschichten, die ebenfalls die Keimbildung und die Kristallisation von Tridymit und Cristobalit verhindern und - ausgehend von sehr dünnen B203-2berzügen - eine ausreichende Dicke aufweisen. Eine flüssigviskose Oberfläche besitzt der Vorformling in verschiedenen Stufen des Verfahrens, z.B. während der Flammenpolitur oder beim Eintauchen in eine entsprechend heiße Boroxid-Schmelze.
Man kann eine Boroxid-Siliziumoxid-Schicht auch aufbringen, indem der Vorformling in eine Schmelze dieser beiden Oxide eingetaucht wird, es kann die Schicht aber auch durch Abscheiden aus einer Bor, Sauerstoff und Silizium enthaltenden Gasphase (z.B. Bs13, Sie4, 02) hergestellt werden. Auch aus dieser Schicht kann das Bor durch Diffusion tiefer in den Vorformling eingebracht werden.
Die Schicht, die anstelle von Boroxid auch andere kristallisationshemmende Zusätze (z.B. Al203) enthalten kann, schützt die Oberfläche des Vorformlings davor, daß beim Ausziehen der Faser Siliziumoxid, das in der Ziehzone verdampft und auf dem Vorformling auskondensiert, als Kristallisationskeim für Cristobalit und/oder Tridymit wirken karl. Dadurch wird die Bildung von Mikrorissen beim anschließenden Abkühlen der gezogenen Fasern weitgehend verhindert, so daß an die Qualität der abschließend aufzubringenden Schutzschicht geringere Anforderungen gestellt werden können. So können z.B. für diese Schutzschicht Kunststoffe verwendet werden, die billiger, leichter aufzubringen und leichter auszuhärten sind. Gleichzeitig kann die Verweilzeit des Vorformlings in der Ziehzone verringert werden, so daß insgesamt höhere Ziehgeschwindigkeiten und eine wirtschaftlichere Fertigung erreicht werden.
Anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Aufbringen der Schicht auf der Oberfläche eines Vorformlings für Lichtleitfasern, die aus Quarzglas bestehen und durch Zusatz von Fremdatomen im Faserkern eine höhere Brechzahl aufweisen als im Fasermantel.
Der benötigte Vorformling wird in bekannter Weise nach dem Gasabscheidungsverfahren (Chemical Vapour Deposition) hergestellt, indem ein Glasrohr an seiner Innenseite mit entsprechender Quarzglasschichten durch Abscheidung aus einer entsprechenden Gasphase belegt wird. Anschließend wird das Glasrohr zu einem zylindrischen Vorformling kollabiert.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist der Vorformling 1 im Spannfutter 4 einer Drehbank gehalten. Durch Bewegung des Gehäuses 2 einer längs der Pfeile 3 verfahrbaren- Flammeinrichtung wird die Abscheidung der Schutzschicht aus der Gasphase vorgenommen.
Hierzu ist im Gehäuse ein erster Brenner 5 vorgesehen, dem entsprechend den Pfeilen 6 und 7 SiCl4 und BCl3 bzw. f2 zugeführt wird. Dieser Brenner ist von einer Wasserkühlung 8 umgeben. Aus der auf das Rohr gerichteten Flamme scheidet sich eine SiO2/ B203-Schutzschicht ab, deren Dicke vom Durchsatz des Gasgemisches und der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners bestimmt ist.
Die abgeschiedene Schutzschicht wird von der Flamme eines daneben angeordneten Knallgasbrenners 9 zu einem klaren, festen Film verschmolzen. 10 und 11 zeigen die -Zuleitungen von Wasserstoff und Sauerstoff zum Knallgasbrenner 9. Die Abgase dieser Brenner werden entsprechend dem Pfeil 12 in einen Abzug geführt.
Gleichzeitig mit dom Auftragen der Schutzschicht wird von der Brennerhitze das Glasrohr aufgeweicht.
Bei diesem flüssigviskosem Zustand des Vorformlings diffundiert das abgeschiedene Boroxid in tiefer liegende Schichten, so daß es zur Ausbildung einer etwa 5 /um dicken B203-SiO2-Schutzschicht an der Vorformling-Oberfläche kommt. Der so hergestellte Vorformling kann z.B. auf die in der erwähnten Literaturstelle "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte" beschriebene Weise zur Faser ausgezogen werden.
Nach Fig. 2 erfolgt das Beschichten eines Formlings, z.B. eines oben beschriebenen, nach dem CVD-Verfahren hergestellten zylindrischen Quarzglaskörpers 20 durch Eintauchen in eine B203-Schmelze 21, die von einer um den Schmelztiegel 23 gewickelten Heizwendel 24 flüssig gehalten wird. Zum Eintauchen entsprechend den Pfeilen 25 wird nur eine kurze Tauchzeit benötigt die gerade ausreicht, um ein gleichmäßiges Benetzen des Formlings sicherzustellen. Eine Dicke des be netzenden Filmes von etwa bis 5 /um reicht aus zum Schutz der Oberfläche vor Kristallitbildung.
2 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

PatentansprUche Verfahren zum Herstellen einer Quarzglasfaser hoher Zerreißfestigkeit durch Ausziehen eines Quarzglas-Vorformlings, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf dem Vorformling zunächst eine Schicht aufgebracht wird, die eine Kristallisation von Siliziumoxid zu Tridymit und/oder Cristobalit auf der Oberfläche des Vorformlings hemmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Herstellung der Schicht Boroxid oder Boroxid und Siliziumoxid verwendet wird.