DE3306695A1

DE3306695A1 - Metallbeschichtung von fasern

Info

Publication number: DE3306695A1
Application number: DE19833306695
Authority: DE
Inventors: Franz Thomas 07960 Morristown N.J. Geyling; Theodore John 08807 Bridgewater N.J. Louzon
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1983-09-15
Also published as: GB8305187D0; US4390589A; NL8300722A; FR2522342A1; JPS58162909A; GB2115443A; CA1201335A; GB2115443B; FR2522342B1

Description

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Beschreibung

Metallbeschichtung von Fasern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer metallbeschichteten Faser sowie durch dieses Verfahren hergestellte Fasern, vorzugsweise auf eine optische Quarzglasfaser mit einer inneren Polymer-Überzugsschicht.

Optische Fasern (Lichtleiter) für die Nachrichtentechnik oder andere Zwecke bestehen typischerweise aus Quarzglas oder Kunststoff, können jedoch auch aus einem anderen Material bestehen. Typischerweise werden Dotierstoffe wie Germanium, Phosphor, Bor, Fluor usw. zugegeben, um in der Faser ein gewünschtes Brechungsindexprofil zu erhalten, die Herstellung der Faser zu erleichtern, oder um andere Zwecke zu erfüllen. Ungeachtet des Materials ist es in der Regel wünschenswert, die Faser vor Abrieb, Wassereintritt, Mikrobiegungsverluste und dergleichen zu schützen. Hierzu wird die optische Faser während des Herstellungsvor-

gangs üblicherweise mit wenigstens einem Überzug versehen. In den meisten Fällen wird die Uberzugsschicht während des Ziehvorgangs der Faser von einem erhitzten Rohling aus Glas oder einem anderen Material, aus dem die optische Faser besteht, aufgebracht. Dies wird als gleichzeitiges Verfahren bezeichnet. Alternativ kann eine Faser jedoch in einem ersten Verarbeitungsschritt hergestellt werden, um in einem separaten Schritt beschichtet zu werden, Derzeit werden organische Beschichtungen, typischerweise Polymere im gleichzeitigen Verfahren unter Verwendung einer als offene Tasse ausgebildeten Aufbringvorrichtung aufgebracht. Es ist ebenfalls bekannt, auf eine Faser Nylon oder andere Polymere zu extrudieren.

Gleichzeitig mit der Entwicklung der Polymerbeschichtungstechnik wurden verschiedene Methoden zum Aufbringen anorganischer Materialien auf Fasern entwickelt. In manchen Fällen sind anorganische Materialien, beispielsweise Metalle, den Polymerbeschichtungen vorzuziehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Eintreten von Feuchtigkeit, die mit der Faser in Berührung kommt, verhindert werden soll. Feuchtigkeitseintritt kann die Zugfestigkeit der Faser beeinträchtigen und andere unerwünschte Effekte mit sich bringen. Besondere Bedeutung hat dies z. B. bei Fasern, die für die Verlegung im Meer oder direkt unter der

Erde ausgelegt sind. Bei diesen Fasern kann man sich, nicht darauf verlassen, daß die Außenschichten des Kabels über lange Zeiträume hinweg in jedem Fall vor Feuchtigkeitseintritt sicher sind. Ferner kann die Metallbeschichtung einer Faser als Leiter dienen für die übertragung elektrischer Energie zu einem Zwischenregenerator, für Signalzwecke oder um dem unerlaubten Zugriff zu der Faser vorzubeugen, oder dergleichen.

Unglücklicherweise können die direkt auf eine optische Glasfaser aufgebrachten Metallüberzüge in einigen Fällen die Qualität der Faser durch chemische Einwirkung und Schneiden der Gleitebene beeinträchtigen. Der letztgenannte Mechanismus erzeugt Härtungszentren an der Glas/Metall-Trennschicht, von denen angenommen wird, daß sie die Mikrobiegungsverlustc erhöhen. Wenn daher ein Metallüberzug aufzubringen ist, so sollte er über einer organischen Unterschicht aufgebracht werden. Allerdings muß das Aufbringen des Metallüberzugs auf der organischen Schicht bei einer ausreichend niedrigen Temperatur erfolgen, so daß eine nennenswerte Beeinträchtigung der Qualität der organischen Schicht vermieden wird. Dies gilt auch für den Fall, daß die Faser selbst aus einem Polymermaterial besteht, wie es bei Kunststoffasern der Fall ist.

Typische Verfahren, die derzeitig zum Einsatz gelangen,

sind das Dampfniederschlagen, Plasmastrahlen oder das Gefrierüberziehen. Nach einem anderen Verfahren zum Überziehen einer optischen Faser mit einem Metall wird eine Kieselerdefaser durch eine geschmolzene Perle aus Metall, z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gezogen. Dies ermöglicht das Beschichten der Faser mit relativ hoher Geschwindigkeit. Unglücklicherweise erfordert das Verfahren mit dem geschmolzenen Metall eine Temperatur, die für die Aufbringung auf viele Polymermaterialien ohne Qualitätsverluste zu hoch ist. Die herkömmlichen Verfahren zum Aufbringen von Metall haben den Mangel, daß ein tatsächliches Benetzen zwischen dem Metallüberzug und einem organic«, sehen Material nicht erfolgt, wodurch das Aufbringen auf Polymere und andere organische Materialien schwierig wird. Einige Metalle lassen sich schwer auf Quarzglas oder andere anorganische Materialien aufbringen.

Es ist daher wünschenswert, ein alternatives Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht auf eine optische Faser zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer metallbeschichteten Faser geschaffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß um eine Faser oder eine darauf befindliche Zwischenschicht herum radial eine Schlämme ein-

gegrenzt wird, die eine Mehrphasenlegierung in der Form einer festen Phase und einer flüssigen Phase enthält, während die Faser axial durch eine Schlämmeneingrenzvorrichtung gezogen und die Schlämme in den festen Zustand abgekühlt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer metallbeschichteten Faser, bei dem eine eine Mehrphasenlegierung in der Form einer festen Phase und einer flüssigen Phase um eine Faser oder eine darauf befindliche Zwischenschicht herum radial eingegrenzt wird, während die Faser axial durch eine Schlämmeneingrenzvorrichtung gezogen und die Schlämme in den festen Zustand abgekühlt wird. Die Schlämme kann außerdem andere Anteile, auch nichtmetallische Anteile enthalten. Im Fall von optischen Kieselerdefasern wird die Metallschicht vorteilhaft als zweiter überzug über eine aus Polymermaterial bestehende Schicht, die zuvor auf die Kieselerdefaser aufgebracht wurde, aufgebracht. Wenn das Metall über dem Polymermaterial aufgebracht wird, wird die Metallegierung derart gewählt, daß die Aufbringtemperatur ausreichend klein ist, um eine nennenswerte Qualitätsverschlechterung des Polymermaterials zu verhindern. In einer Ausführungsform wird die Metallschicht auf eine Schicht eines Materials aufgebracht, beispielsweise eines Polymer-

materials, das durch die geschmolzene Form der Legierung nicht "benetzt" wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein typisches, für gleichzeitige Verarbeitung ausgelegtes Ziehsystem zum Herstellen einer optischen Glasfaser von einer Vorform mit anschließender Beschichtung, und

Fig. 2 eine derzeit bevorzugte Aufbringvorrichtung zum Beschichten einer optischen Faser gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.

Die Erfindung betrifft die Metallbeschichtung von Fasern durch eine Mehrphasenlegierung. Gemäß der hier beschriebenen Methode werden Legierungszusammensetzungen so ausgewählt, daß ein Mehrphasensystem in einem Temperaturbereich zwischen Festpunkttemperatur und Flüssigkeitspunkttemperatur erhalten wird. Die Mehrphasenlegierung hat eine effektive Viskosität, die größer ist als die vollständig geschmolzenen Metalls, und die einem Extrudiervorgang förderlich ist, der nach dem Austritt aus der Aufbringvorrich-

flüssigkeit dynamisch stabil ist.

Ist eine Legierung nicht eine zwischenmetallische Verbindung oder eine eutektische Zusammensetzung, so kühlt sie in einem gemischt flüssigen und festen Zustand ab. Beim Abkühlen in diesem Zustand wird Schmelzwärme freigesetzt, die der Menge der vorhandenen festen Phase entspricht, und die Schmelzwärme der Hauptmasse der Legierung verringert sich, so daß während des Endstadiums eine raschere Verfestigung möglich ist. Ein rasches Verfestigen ist wünschenswert bei unter niedrigem Druck erfolgendem Aufbringen der Legierung von einer Aufbringvorrichtung um eine Faser herum. Die Beschichtung erfolgt kontinuierlich mit einer die Legierung enthaltenden Schlämme oder Trübe, wobei man den Vorteil der effektiven Viskosität der Schlämme zum Aufrechterhalten eines stabilen Stroms ausnutzt, um dadurch einen Metallfaden zu bilden, der die Faser einschließt.

Der Begriff "Legierung" bedeutet hier eine metallische Mischung aus zwei oder mehr Metallen oder einem oder mehreren Metallen sowie einem oder mehreren Nichtmetallen. Eine "Mehrphasenlegierung" ist eine Legierung, die nach dem Abkühlen aus einer Schmelze durch einen oberhalb der Festpunkttemperatur liegenden Temperaturbereich in einer oder mehreren festen Phasen und einer oder mehreren flüs-

sigen Phasen gleichzeitig vorhanden ist. Der Begriff "Anfangsschmelztemperatur" bedeutet die niedrigste Temperatur, bei der die Legierung gleichzeitig in festen und in flüssigen Phasen existiert. Der Ausdruck "fester Zustand" besagt, daß die Legierung unterhalb der Festpunkttemperatur liegt, wobei sämtliche Phasen dann feste Phasen sind. Der Ausdruck "Schlämme" (oder "Trübe") bedeutet ein fest/ flüssiges System, das eine Mehrphasenlegierung mit einer Temperatur enthält, bei der die Legierung sowohl in der festen als auch in der flüssigen Phase existiert. Der Begriff "Zusammensetzung der Legierung" bedeutet die relativen Verhältnisse der Anteile einer Legierung einschließlich der festen und der flüssigen Phasen. Die Schlämme kann vollständig aus einer Mehrphasenlegierung bestehen oder andere nichtmetallische oder metallische Anteile enthalten, die nicht Bestandteil des Mehrphasenlegierungssystems sind. Der Begriff "Metallschicht" bedeutet eine metal!enthaltende Schicht, die gemäß der erfindungsgemäßen Methode aufgebracht wurde, jedoch kann eine solche Schicht auch andere Komponenten enthalten, wie oben diskutiert wurde. Der Ausdruck "Zwischenschicht" bedeutet die aus einer oder mehreren Schichten bestehende Außenschicht aus Material, das auf die Faser aufgebracht wurde, bevor die Metallschicht nach der hier beschriebenen Methode aufgebracht wird.

Die hier als Beispiele dienenden Legierungen bestehen aus zwei metallischen Komponenten eines ein Eutektikum aufweisenden Systems. Zum überziehen organisch beschichteter optischer Fasern durch Schlämmenextrusion eignen sich das Indium-Zinn-(In-Sn-) und das Wismut-Zinn- (Bi-Sn-) System gut. Beides sind eutektische Systeme mit niedrigen Festpunkttemperaturen von 117 ⁰C bzw. 139 ⁰C, und sie besitzen auf beiden Seiten der eutektischen Zusammensetzung breite Flüssig/Fest-Zustände. Indium-Zinn hat eine niedrigere Festpunkttemperatur und beeinträchtigt daher ein Polymersubstrat weniger wahrscheinlich. Wismut-Zinn hat eine etwas höhere Festpunktttemperatur, eignet sich aber dennoch zum Beschichten vieler organischer Materialien. Es sind viele andere Mehrphasenlegierungen möglich, vergl. z. B. Constitution of Binary Alloys, 2. Ausgabe, M. Hansen, McGraw-Hill (1958). Viele der bekannten Legierungen mit einer relativ niedrigen Festpunkttemperatur enthalten wenigstens eines der Elemente Zinn, Wismut, Indium, Blei, Gallium, Quecksilber, Antimon und Cadmium. "Woodsches Metall" ist eine eutektische Zusammensetzung von etwa 50,2 % Wismut, 24,8 % Blei, 12,6 % Zinn und 12,5 Cadmium (Angaben in Gew.-%), und es besitzt eine Schmelztemperatur von etwa 70 ⁰C. Ändert man die Zusammensetzungsverhältnisse, so kann man verschiedene (nicht-eutektische) Mehrphasenlegierungen mit relativ niedriger Anfangsschmelztemperatur erhalten.

Ein typisches Beschichtungssystem, das für die hier angeführten Beispiele verwendet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Ofen 100 erhitzt einen (nicht gezeigten) Glasrohling, von dem eine optische Faser 101 gezogen wird. Die Faser läuft durch eine erste Aufbringvorrichtung 102, in der eine organische erste Uberzugsschicht aufgebracht wird. Wenn die organische Schicht ein unter Ultraviolettlicht aushärtendes Kunstharz ist, wie es in den unten aufgeführten Beispielen angegeben ist, befindet sich unterhalb dieser Aufbringvorrichtung eine (nicht gezeigte) Ultraviolett-(UV-)Strahlungsquelle. Dann läuft die Faser durch eine zweite Aufbringvorrichtung 103, in der nach der erfindungsgemäßen Methode die Metallüberzugsschicht aufgebracht wird. Ein mit einer flexiblen Spitze versehenes Wasserbad 104 dient zum Kühlen der Metallüberzugsschicht, wobei das Wasserbad an einem X-Y-Träger 105 montiert ist, Obschon aus Gründen der Übersichtlichkeit separat dargestellt, taucht die Austrittsdüse der Metallaufbringvorrichtung 103 in das Wasserbad 104 ein, wie unten näher erläutert wird. Dann läuft die doppelt beschichtete Faser um eine Seilscheibe 106 auf eine Vorratstrommel 106. Die Metallaufbringvorrichtung 103 ist mit einem X-Y-Tisch 108 verbunden, auf dem ein an eine Druckleitung 110 angeschlossenes erhitztes Reservoir 109 montiert ist. Die

Temperatur der geschmolzenen Legierung in dem Reservoir wird mit einem Thermopaar 111 gemessen.

Die Legierung wird in dem geheizten Reservoir und in dem Hauptvolumen der Aufbringvorrichtung in dem geschmolzenen Zustand gehalten, wobei die Legierung in der Nähe des Ausgangs der Aufbringvorrichtung rasch zu einer Schlämme wird, Die Schlämme wird von der Aufbringvorrichtung um die Faser herum radial eingegrenzt, wenn die Faser die Aufbringvorrichtung axial passiert. In dem Wasserbad kühlt sich die Schlämme dann zum festen Zustand ab. Von der Ausgestaltung der Metallaufbringvorrichtung 103 hängt das Aufrechterhalten der richtigen Temperaturverteilung der Legierung ab. Die Legierung muß auf einer ausreichend niedrigen Viskosität gehalten werden, damit die Aufbringvorrichtung nicht verstopft, andererseits jedoch muß die Legierung eine ausreichend große Viskosität aufweisen, wenn sie auf die Faser aufgebracht wird, damit das richtige Überziehen möglich ist. Dies ist insbesondere bei nicht-benetzbaren Fasern von Bedeutung, da sie die Neigung haben, auf eine Seite der Ausgangsdüse der Aufbringvorrichtung gedrückt zu werden. In der Nähe des Ausgangs ist also zur Aufrechterhaltung einer angemessenen Zentrierung eine Schlämme mit ausreichend großer Viskosität erforderlich.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Metallschlämmen-Aufbringvorrichtung 103. Die geschmolzene Legierung wird durch einen Eintrittsdurchlaß 218 in eine Kammer 219 der Aufbringvorrichtung gefördert. Mittels einer Heizspule 212 wird die Legierung innerhalb der Kammer 219 im gescholzenen Zustand gehalten. Mit einem konischen Austrittsventil wird die Strömung der Schlämme auf die sich bewegende Faser gesteuert. Durch Einstellen des Ventilspalts, einhergehend mit einer sorgfältigen Temperatureihstellung in verschiedenen Teilen der Aufbringvorrichtung wird das Niederschlagen der Schlämme auf der Faser gesteuert. Ein eng gepaßter Einlaßabschnitt 201 für die Faser besteht aus Rulon, Typ A ("Rulon" ist ein Warenzeichen der Dixon Corp. für ein TFE-Fluorkohlenstoffmaterial), das von Metall nicht benetzbar ist. Dieser Einlaßabschnitt schafft ein gewisses Maß von "eingebauter" Zentrierung der Faser und wirkt dem Rückfluß von Schlämme durch den Oberteil der Aufbringvorrichtung entgegen. Der Austrittsabschnitt des Ventils enthält einen Isolatorabschnitt 202 aus Rulon und eine aus verzinktem rostfreiem Stahl bestehende Buchse 203, die eine gute Benetzung durch das geschmolzene Metall gewährleistet. Hierdurch erhält man ein axialsymmetrisches, glattes Austreten der Schlämme aus dem Bodenteil der Aufbringvorrichtung. Ein am Boden

der Aufbringvorrichtung angebrachter Schirm 204 aus Rulon gestattet das direkte Eintauchen des Ausgangs in das Wasserbad. Ein aus Teflon (dies ist ein Warenzeichen von E. I. DuPont für polymerisiertes CF₂) bestehender Außenschirm 220 schirmt darüberhinaus den unteren Vorrichtungsabschnitt 214 bezüglich des Wasserbades ab. Diese Anordnung gestattet die Einstellung von Innentemperaturen innerhalb der Aufbringvorrichtung zwischen der Flüssigpunkttemperatur in dem konischen Ventil bis zu einer Schlämmentemperatur am Ausgang und das sofortige Abschrecken der metallbeschichteten Faser in Wasser.

Bei dieser Aufbringvorrichtung erfolgt das Einstellen des Ventilspalts 20 5 durch Drehen des einstellbaren Ventilträgers 206, der in den Körper 207 eingeschraubt ist und von diesem durch Doppel-O-Ringa 208 und 209 getrennt ist. Die Lagefixierung erfolgt mittels Rändelschrauben 210 und 211. Der Körper umfaßt drei Abschnitte 207, 213 und 214 aus rostfreiem Stahl, durch den die Wärmeleitung und Temperaturstabilität verbessert wird, während das Material nur minimaler Erosion und Benetzung ausgesetzt ist. Ein Kupferring 215 dient als Beilagscheibe zwischen aen Körperabschnitten 207 und 213. Die Temperatur des Körpers wird mittels einer Scheibenheizung 212 gesteuert. Die Heizung enthält einen um einen Glimmerkern gewickelten

und von Blattmetall umschlossenen Widerstandsdraht, dessen Dicke etwa 3 nun beträgt, und der einen Innendurchmesser von etwa 5,1 cm und einen Außendurchmesser von etwa 7,6 cm besitzt. Der Widerstandsdraht führt bis zu etwa 200 Watt Energie ab und wird zur Temperatureinstellung von einem Variac gesteuert.

Die Temperatur in den Abschnitten 207 und 213 des Körpers wird von zwei dort angeordneten Thermopaaren 216, 217 aus Chrome1-Alumel überwacht. Die Angabe der Körpertemperatur hier ist die mittlere Temperatur der beiden Körper. Ein weiterer Satz von Chromel-Alumel-Drähten ist an der aus rostfreiem Stahl bestehenden Hülse 203 zwischen dem untersten Körperabschnitt 214 und dem Rulon-Schirm 20 4 angeordnet und bildet ein (nicht dargestelltes) drittes Thermopaar, mit dem die Temperatur an der Austrittsdüse der Aufbringvorrichtung gemessen wird. In derselben Ebene, jedoch in rechtem Winkel zu diesem Thermopaar ist zusätzlich ein (nicht dargestelltes) Paar von Glasröhrchen mit einem Innendurchmesser von 1 mm angeordnet, um an der Stahlhülse 203 erwärmtes Stickstoffgas vorbeiströmen zu lassen. Auf diese Weise erhält man eine exakte Steuerung der Temperatur der Schlämme nach dem Austritt aus der Aufbringvorrichtung .

Das Beschichtungsverfahren soll nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Eine Glasfaser mit einer zuvor durch die Aufbringvorrichtung 102 aufgebrachten durchgehenden Beschichtung aus UV-gehärtetem Epoxy-Acrylat-Polymerharz wurde mit einer aus 50 Gew.-% VJismut und 50 Gew.-% Zinn bestehenden Legierung beschichtet. Die Kieselerdefaser hatte einen Durchmesser zwischen 100 und 125 Mikrometer, und die UV-gehärtete Schicht war etwa 50 bis 75 Mikrometer dick. Die Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Reservoir betrug etwa 170 ⁰C, die Temperatur des Körpers der Metallbeschichtungs-Aufbringvorrichtung betrug 154 ⁰C. Die Ausgangsdüse wurde auf einer Temperatur von etwa 150 ⁰C gehalten. Auf der UV-gehärteten Polymerschicht wurde eine etwa 50 Mikrometer dicke durchgehende Metallbeschichtung aufgebracht. Die Beschichtungen waren durchgehend zentriert. Jedoch erwies sich die Temperatursteuerung des sehr schmalen Flüssig/ Fest-Bereichs der beschichteten Schlämme, bei dieser Legierung zwischen etwa 139 ⁰C und 155 ⁰C, als sehr schwierig. Temperaturunterschreitungen verursachten Ventilstockungen, während Temperaturüberschreitungen eine über-

mäßig flüssige Schlämme ergaben, die dazu beitrug, die nicht-benetzbare Faser in eine exzentrische Lage zu treiben.

Beispiel 2

Es wurde eine optische Kieselerdefaser mit einer UV-gehärteten Schicht wie im Beispiel 1 verwendet. Als Metallbeschichtung wurde eine Schlämme mit 30 Gew.-% Indium und 70 Gew.-% Zinn verwendet, und auf die Aufbringvorrichtung wurde ein höherer Druck aufgebracht, um der größeren Anzahl an Festteilen, d. h. einer größeren Viskosität der Schlämme in der Austrittsöffnung Rechnung zu tragen. Diese Legierung besitzt einen größeren Zwei-Phasen-Bereich zwischen etwa 117 ⁰C und 175 ⁰C, wodurch eine bessere Steuerung der Schlämmenkonsistenz möglich war und eine bessere Beschichtung erzielt wurde. Während dieses Versuchs betrug die Temperatur in dem Reservoir etwa 180 °C und in dem Körper der Aufbringvorrichtung 164 ⁰C bis 166 ⁰C, während die Temperatur in der Austrittsdüse 124 ⁰C betrug. Die Dicke der Metallschicht wurde in einem Bereich von etwa 25 bis 100 Mikrometer durch Ändern der Größe des Spalts 205 variiert. Ein noch größerer Bereich erscheint möglich.

Andere, dem oben geschilderten Versuch ähnliche Versuche

ergaben gute Beschichtungen einer Glasfaser, die zuvor mit einem Silicon-Polymermaterial beschichtet wurde. Außer mit der in Fig. 2 dargestellten Aufbringvorrichtung mit konischem Ventil wurden mit Erfolg andere Aufbringvorrichtungen verwendet. Beispiele für Radialströmungs-Aufbringvorrichtungen sind in der US-Parallelanmeldung (SN 257,354) beschrieben. Jedoch wird die konische Ventilanordnung gemäß Fig. 2 hier bevorzugt verwendet, da sie auf relativ einfache Weise das Verstopfen der Aufbringvorrichtungen mit Metallpartikeln verhindert. Um das Zentrieren der Beschichtung zu verbessern, wenn lange Fasern zu beschichten sind, wird das Beschichtungssystem vorzugsweise mit einer Antriebsvorrichtung für konstante Durchflußmenge betrieben, und nicht mit der Bereitstellung eines konstanten Drucks, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Hierdurch wird eine für Dauerbetrieb gleichmäßigere Durchflußmenge der Schlämme erzielt. In diesem Fall sollten zusätzliche Sicherheitsventile vorgesehen werden, um einen übermäßigen Druckaufbau zu vermeiden. Es ist ebenfalls möglich, das gleichmäßige Beschichten dadurch zu verbessern, daß die Temperaturgradienten in dem Ventil noch genauer gesteuert werden. Dies trägt zu einer günstigen großen Beweglichkeit (geringen Viskosität) der Schlämme bis in die Nähe der Ausgangsöffnung bei. Man erreicht dies durch Verwendung (in der Zeichnung nicht dargestellt) unabhängiger Mikroheizvor-

richtungen in dem Ventilsitz und durch Optimieren der Geometrie des Wärmeschutzes an der Düse, um die Stabilität des internen Temperaturprofils zu maximieren. Für den Ventilsitz sind leichter benetzbare Materialien erwünscht, obschon eine gute Benetzung für gewöhnlich mit einer gewissen Materialerosion einhergeht. Eine übermäßige Erosion zerstört die Axialsymmetrie und Gleichförmigkeit der Austrittsströmung. Weiterhin kann durch Rühren oder Mischen, beispielsweise durch Ultraschallerregung in dem Ventilaustritt, der Ablagerung von festen Teilchen in dem Durchgang entgegengewirkt und zu einer glatten Beschichtung beigetragen werden.

Während die in Fig. 2 dargestellte Aufbringvorrichtung zum Aufbringen der Schlämme auf die Faser mit einem Überdruck arbeitet, kann in einigen Fällen die Ziehkraft der Faser selbst für die Beschichtung ausreichen. Während die hier beschriebene Aufbringvorrichtung die Legierung in Form einer Schlämme auf die Faser aufbringt, können anders ausgebildete Aufbringvorrichtungen (darunter die oben angesprochene RadialStrömungskonstruktion) die Legierung zu Beginn im geschmolzenen Zustand auf die Faser aufbringen, während die Legierung bei ihrem Durchlauf durch die Aufbringvorrichtung zu einer Schlämme (Festanteile plus Flüssiganteile) abkühlt. Bei der hier beschriebenen Methode

wird die Legierung um die Faser herum radial eingegrenzt, während die Legierung in den Zustand der Schlämme abkühlt. Die radiale Eingrenzung wird typischerweise aufrechterhalten, bis die Viskosität der Schlämme groß genug ist, um die Gestalt der Beschichtung nach dem Austrit aus der Eingrenzanordnung beizubehalten. Dann wird die Legierung typischerweise zum Erreichen des Festzustands rasch abgeschreckt. Der Begriff "Abschrecken" bedeutet hier, daß die Schlämme ausreichend schnell in den festen Zustand abgekühlt wird, damit sie nach dem Verlassen der Eingrenzvorrichtung ihre Abmessungen im wesentlichen beibehält. Wenn eine flexible Spitze oder eine andere geeignete Eingrenzvorrichtung vorgesehen ist, die ein Blockieren verhindert, wenn sich die Legierung in den festen Zustand abkühlt, so kann das Abkühlen in den festen Zustand alternativ in der Eingrenzvorrichtung selbst erfolgen. Man beachte, daß in der in Fig. 2 dargestellten Aufbringvorrichtung die radiale Eingrenzung in dem Austrittsabschnitt der Düse erfolgt, wobei unmittelbar anschließend ein Abschrecken mit Wasser erfolgt.

In den oben beschriebenen Beispielen erfolgte praktisch keine Benetzung der darunterliegenden Polymerschicht mit der Metallschlämme. Es wurde also eine Schicht mit Metall beschichtet, die nach typischen Metallaufbringmethoden

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gemäß dem Stand der Technik nicht in geeigneter Weise beschichtet werden konnte. Jedoch ist die hier beschriebene Methode nicht auf die Metallbeschichtung von nicht-benetzbaren Polymerschichten beschränkt, sondern findet außerdem dort Anwendung, wo eine Beschichtung mit Metallen erfolgen soll, die nach anderen Methoden nicht ohne Schwierigkeiten aufzutragen sind. Im Vergleich zu Schmelzmetallmethoden eignet sich die hier beschriebene Methode besonders dann, wenn eine Beschichtung bei relativ niedriger Temperatur erwünscht ist. Organische Materialien, wie z. B. optische Kunststoffasern oder optische Glasfasern mit Polymerüberzugsschichten verschlechtern sich für gewöhnlich bei Temperaturen von mehr als 200 ⁰C. Wie oben erläutert wurde, gestattet die hier beschriebene Methode das Aufbringen der Metallbeschichtung bei Temperaturen unterhalb von 200 ⁰C. Das relativ einfache Beschichten einer Faser mit der eine höhere Viskosität aufweisenden Schlämme macht deutlich, daß die hier behandelte Methode auch dann Anwendung findet, wenn Temperatur- oder Benetzungsprobleme im Hinblick auf die verwendete Faser keine besondere Bedeutung haben.

Während sich die erfindungsgemäße Methode besonders gut für optische Fasern eignet, können auch anderen Zwecken

dienende Fasern vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Metallschicht überzogen werden. Nach der erfindungsgemäßen Methode können beispielsweise Glasfasern, die nicht optische Qualität aufweisen, oder Bor- und Kohlenstoffasern, oder organische Fasern wie z. B. Kevlar-Fasern (Warenzeichen der Firma E. I. DuPont für Fasern aus aromatischen Polyamiden) usw. beschichtet werden. Eine Metallüberzugsschicht kann einen Schutz gegenüber Substanzen schaffen, die zu einer starken Beeinträchtigung der Faser führen können.

Wird Schutz gegen Wassereintritt gewünscht, oder soll die Faser gegen das Angreifen anderer Substanzen geschützt werden, so schafft die erfindungsgemäße Metallbeschichtung eine luftdichte Abdichtung um die Faser herum, d. h. um die Faser herum wird eine durchgehende Metallschicht gebildet. Ist ein luftdichter Abschluß nicht notwendig, sind jedoch andere Eigenschaften erwünscht, beispielsweise Widerstandsfähigkeit bezüglich Abrieb, so braucht die Metallbeschichtung nicht durchgehend ausgebildet zu sein. Wird die Metallschicht dazu verwendet, elektrische Energie oder Information zu übertragen, so sollte sich die Schicht kontinuierlich entlang der Faser erstrecken, die Schicht braucht die Faser jedoch nicht notwendigerweise vollständig umgeben.

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Die Metallschicht kann außerdem Einschlüsse oder Zonen nichtmetallischen Materials enthalten, das entweder organisch oder anorganisch ist. Es wird angenommen, daß Einschlüsse von anorganischem Material wie z. B. Kieselerde, Titandioxid usw. dazu beitragen können, nach Wunsch den Modul der Metallschicht anzuheben oder in einigen Fällen die Abrieb-Widerstandsfähigkeit zu verbessern. Es wird weiterhin angenommen, daß der Einschluß eines organischen Materials wie z. B. eines Epoxymaterials, in manchen Fällen das Haftungsvermögen einer Metallschicht an der Faser verbessern kann. Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen jedoch wenigstens 50 Gew„~% der Überzugsschicht aus einer Mehrphasenlegierung. Es sind viele Verfahren bekannt, bei denen die auf eine Faser kreisrunden Querschnitts aufgebrachte Überzugsschicht notwendigerweise etwa Kreisquerschnitt aufweist. Im Gegensatz dazu kann die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Metallbeschichtung fast jeden beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei sich der Querschnitt durch die Gestalt der Radialeingrenzvorrichtung bestimmt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Fasern für die verschiedensten Anwendungszwecke vorteilhaft beschichten.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer metallbeschichteten Faser, dadurch gekennzeichnet , daß um die Faser (101) oder eine auf der Faser befindliche Zwischenschicht (aufgebracht bei 102) herum radial eine Schlämme eingegrenzt wird, die eine Mehrphasenlegierung in Form einer festen Phase und einer flüssigen Phase enthält, während die Faser axial durch eine Schlämmeneingrenzvorrichtung (103) gezogen wird, und daß die Schlämme in den festen Zustand abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser eine optische Quarzglasfaser ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser oder die Zwischenschicht, auf der die metallische Uberzugsschicht aufzubringen ist, von dem geschmolzenen Anteil der Legierung im wesentlichen nicht benetzbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser eine optische Quarzglasfaser ist, auf der eine Zwischenschicht gebildet ist, die ein organisches Polymermaterial enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Faser oder die Zwischenschicht bei einer Temperatur oberhalb von 200 ⁰C in ihrer Qualität wesentlich beeinträchtigt wird, und daß das Aufbringen der Schlämme bei einer Temperatur unterhalb von 200 ⁰C erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Quarzglasfaser, eine Borfaser, eine Kohlenstoffaser oder eine Faser aus einem aromatischen Polyamid ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die ein Metall enthaltende Uberzugsschicht um die Faser oder die Zwischenschicht herum eine durchgehende metallische Schicht bildet und dadurch einen luftdichten Abschluß schafft.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung im wesentlichen wenigstens eines der folgenden Elemente enthält: Zinn, Indium, Wismuth, Blei, Gallium, Quecksilber, Antimon und Cadmium.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die Metallschicht aus wenigstens 50 Gew.-% einer Mehrphasenlegierung besteht.

10. Optische Faser, beschichtet nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.