DE69010282T2 - Kohlenstoffbeschichtung von optischen Fasern. - Google Patents

Kohlenstoffbeschichtung von optischen Fasern.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Schaffung von Beschichtungen auf der Oberfläche von Glasfasern, insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich auf der Oberfläche einer frisch gezogenen lichtleitfaser, die durch ein Verfahren hergestellt wurde, das die Dampfabscheidung von Silika umfaßt.
  • Es ist gut bekannt, daß die anfängliche Zugfestigkeit einer frisch gezogenen Silika- oder Quarzglas-Lichtleitfaser in erheblichem Ausmaß verschlechtert wird, wenn die Oberfläche der Faser nicht nahezu unmittelbar geschützt wird. Aus diesem Grunde werden viele Silika-Lichtleitfasern mit einer Kunststoffbeschichtung versehen, wobei eine Beschichtungsvorrichtung verwendet wird, die unmittelbar unter der Lichtleitfaser-Ziehvorrichtung angeordnet ist und im gleichzeitigen Betrieb mit dem Ziehvorgang betrieben wird. Für viele Anwendungen ist der Schutz, der der ursprünglichen Glasoberfläche der Lichtleitfaser durch die auf diese Weise geschaffene Kunststoff-Schutzbeschichtung gegeben wird, ausreichend. Für manche Anwendungen gilt dies jedoch nicht. Dies ergibt sich typischerweise daraus, daß Kunststoffüberzüge für Wasser nicht ausreichend undurchdringlich sind, und daß das Vorhandensein von Wasser an der Glasfaseroberfläche besonders stark eine Verringerung der Zugfestigkeit aufgrund einer Spannungskorrosion hervorruft. zusätzlich kann festgestellt werden, daß Kunststoff-Schutzbeschichtungen einen unzureichenden Widerstand gegen eine Durchdringung durch Wasserstoff ergeben. Für viele Anwendungen ist eine Sperre gegen das Eindringen von Wasserstoff nützlich, und zwar hauptsächlich aufgrund der relativ starken optischen Absorbtionsbänder, die an unzweckmäßigen Bereichen des optischen Spektrums auftreten und durch das Vorhandensein von Wasserstoff hervorgerufen werden.
  • In dem US-Patent 4 183 621, auf das verwiesen wird, wird eine Konstruktion einer beschichteten Lichtleitfaser beschrieben, bei der die Glasoberfläche einer Silika-Lichtleitfaser init einer Kohlenstoffsperrschicht versehen ist, die für Feuchtigkeit undurchdringlich ist. Die Beschichtungsverfahren, die hier vorgeschlagen werden umfassen das Hindurchführen der Faser durch eine kollodiale Suspension von Kohlenstoffteilchen und die nachfolgende Erhitzung des abgeschiedenen Kohlenstoffs, eine Plasmabeschichtung, ein chemisches Aufdampfen, eine Vakuumverdampfung und eine Pyrolyse in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre eines Kohlenwasserstoffes, wie zum Beispiel Methan.
  • Das US-Patent 4 575 436 bezieht sich ebenfalls auf die Schaffung hermetischer Beschichtungen auf Lichtleitfasern, und dieses Patent befaßt sich insbesondere mit der Schaffung von Beschichtungen durch chemisches Aufdampfen mit heterogener Kristallisation (HNCVD), wobei die Abscheidungsreaktion an der Oberfläche der Glasfaser als Ergebnis ihrer hohen Temperatur eingeleitet wird. Diese hohe Temperatur kann dadurch erreicht werden, daß die Beschichtungs-Aufdampfkammer relativ nahe unterhalb des Lichtleitfaser-ziehofens angeordnet wird, so daß die Lichtleitfaser in die Aufdampfkammer sehr kurz nach dem Verlassen des Ziehofens eintritt. Wie in der veröffentlichten europäischen Anmeldung 0 308 143 festgestellt wird, erwähnt die US-Patentschrift 4 575 636 nicht die Abscheidung von hermetischen Beschichtungen aus Kohlenstoff. Die EP-A-0 308 143 gibt an, daß eine Anzahl von unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen bei einer chemischen Aufdampfreaktion mit heterogener Kristallisation verwendet werden können, um eine Kohlenstoffbeschichtung auf einer Lichtleitfaser zu erzeugen, wobei als spezielles Beispiel die Verwendung von Azetylen für diesen Zweck angegeben ist.
  • Es ist äußerst wünschenswert, daß eine derartige Kohlenstoffschicht auf eine frisch gezogene Lichtleitfaser aufgebracht wird, bevor sie mit irgendeiner festen Oberfläche in Berührung kommt, weil eine Berührung mit einer derartigen Oberfläche die Lichtleitfaser-Festigkeit beeinträchtigt. Wenn die Faser keine feste Oberfläche vor der Beschichtung berühren soll, so muß die Beschichtung der frisch aus dem Faserrohling gezogenen Faser in dem Raum erfolgen, der zwischen der Unterseite der Ziehzone und der ersten Stelle liegt, an der die Faser ihre Richtung ändert, entweder als Ergebnis des Aufwickelns auf die Oberfläche einer Aufwickeltrommel oder als Ergebnis der Ablenkung um irgendeine Form einer Führungsrolle. Ein Teil dieses Raumes kann auch für das Aufbringen und die Aushärtung einer Kunststoff-Schutzbeschichtung für die Faser erforderlich sein. Der zur Verfügung stehende Raum für die Beschichtung mit Kohlenstoff ist daher typischerweise stark begrenzt, was andererseits bedeutet, daß der Beschichtungswirkungsgrad ein kritischer Parameter ist, wenn eine ausreichende Tiefe an undurchdringlichem Kohlenstoff in dem zur Verfügung stehenden Raum abgeschieden werden soll. in diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Verweilzeit irgendeines Abschnittes der Faser in dem für die Beschichtung zur Verfügung stehenden Raum verringert wird, wenn die Ziehgeschwindigkeit vergrößert wird. Bei der Herstellung einer undurchdringlichen Kohlenstoffbeschichtung ist daher davon auszugehen, daß Probleme bei der Erzielung einer ausreichenden Beschichtungstiefe in der zur Verfügung stehenden Zeit und dem zur Verfügung stehenden Raum auftreten. Überraschend wurde festgestellt, daß die Abscheidungsgeschwindigkeit und damit die Dicke der Beschichtung, die sich bei einem bestimmten Satz von Abscheidungsbedingungen ergibt, in deutlichem Ausmaß von dem Kohlenwasserstoff abhängt, der als Quellenmaterial für die Kohlenstoffbeschichtung verwendet wird. In einem speziellen Fall wurde unter Verwendung einer Ziehgeschwindigkeit von 20 Metern pro Minute eine Beschichtungsdicke von weniger als 1,6 nm unter Verwendung von Methan in einem Reaktor mit einer Länge von 600 mm erzielt. Dies steht im Gegensatz zur Erzielung einer Beschichtungsstärke von 108 nm bei Verwendung eines speziellen Kohlenwasserstoffs anstelle des Methans ohne Änderung einer anderen der Abscheidungsbedingungen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Schaffung einer Glasfaser mit einer Kohlenstoffglasbeschichtung geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung zumindestens hauptsächlich durch die Pyrolyse von Propadien hergestellt ist.
  • Die bevorzugte Ausführungsform des Abscheidungsverfahrens besteht in einem eine heterogene Kristallisation ergebenden chemischen Aufdampfverfahren (HNCVD-Verfahren), das dadurch eingeleitet wird, daß eine erhitzte Faser durch die Aufdampfkammer geführt wird. Die Beschichtung wird vorzugsweise auf eine frisch hergestellte Faser unmittelbar nachdem diese von dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Rohling gezogen wurde, aufgebracht. Unter diesen Umständen ist es allgemein zweckmäßig, die Aufdampfkammer eng unter dem Ziehofen anzuordnen, so daß das HNCVD-Verfahren durch die verbleibende Hitze von dem Ziehofen eingeleitet wird, wodurch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Heizung vermieden wird. Ein Merkmal diese Verwendung der Wärme des Ziehofens besteht darin, daß bei einer vorgegebenen Länge der Aufdampfkammer die Beschichtungsstärke mit zunehmender Faserziehgeschwindigkeit vergrößert wird, weil die Faser tiefer in die Kammer hineingefüehrt wird, bevor sie Zeit hat, sich auf die Temperatur abzukühlen, bei der das Aufdampfen effektiv beendet wird. Ein allgemeines Merkmal der Verwendung von HNCVD zur Erzeugung von Kohlenstoffglasbeschichtungen auf Silika-Fasern besteht darin, daß die Beschichtung eine in Radialrichtung gradierte Struktur aufweist, wobei der innenliegende Abschnitt der Beschichtung bei der höchsten Temperatur auftritt und die nachfolgenden Abschnitte bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen abgeschieden werden. Als Ergebnis einer fehlenden Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kohlenstoffglas und dem darunterliegenden Silika ist es wahrscheinlich, daß der Kohlenstoff in der Ebene der Kohlenstoffbeschichtung einen Spannungspegel annimmt, der im wesentlichen durch die Abscheidungstemperatur bestimmt ist. Der Wert dieser 'Eigen'-Spannung begrenzt das Ausmaß der zusätzlichen von außen angelegten Beanspruchung, die tolerierbar ist, und er bestimmt weiterhin die Rate, mit der irgendeine Spannungkorrosionserscheinung an der eigenen Oberfläche der Beschichtung fortschreiten kann. Unter diesen Umständen muß daher die radiale Gradierung als vorteilhaft angesehen werden, weil zu erwarten ist, daß die Spannung in der Beschichtung hinsichtlich ihrer Größe über die Stärke der
  • Beschichtung von der innenoberfläche zur Außenoberfläche hin abnimmt.
  • Es folgt eine Beschreibung einer experimentellen Vorrichtung, die zur Schaffung einer Kohlenstoffglasbeschichtung auf einer Silika-Lichtleitfaser gleichzeitig mit deren Ziehen von einem Rohling verwendet wird, während dieser Rohling fortschreitend in einen Faserziehofen abgesenkt wird. Hierauf folgen vergleichende Einzelheiten von Ergebnissen, die mit unterschiedlichen Aufdampf-Reaktionsmitteln und -Bedingungen erzielt wurden. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen und Tabellen, in denen:
  • Figur 1 eine schematische Darstellung der Beschichtungsvorrichtung ist,
  • Tabelle 1 eine Tabelle ist, die einen Vergleich des Beschichtungswirkungsgrades unter Verwendung verschiedener chemischer Reaktionsmittel ergibt,
  • Tabelle 2 eine Tabelle ist, die Ergebnisse zeigt, die bei unterschiedlichen Beschichtungsbedingungen erzielt wurden, und
  • Tabelle 3 Ergebnisse, die unter Verwendung von Azetylen erzielt wurden, mit denen gegenüberstellt, bei denen Propadien verwendet wurde.
  • Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist zu erkennen, daß die experimentelle Kohlenstoffglas-Beschichtungsvorrichtung direkt an der Unterseite eines üblichen silika-Lichtleitfaser-Ziehofens 1 befestigt ist. in diesem Ziehofen wird das untere Ende eines Lichtleitfaser-Rohlings 2 zu einer Faser 3 gezogen, während dieser Rohling fortschreitend in den Ofen abgesenkt wird. Am unteren Ende des Ziehofens 1 gelangt die Faser direkt durch ein HNCVD-Reaktionsmittel-Zufuhrsystem 4 in ein Reaktionsrohr 5, das von einem Rohrofen 6 umgeben ist. Das Reaktionsrohr ist 600 mm lang und weist einen innendurchmesser von 22 mm auf.
  • Das Reaktionsmittel-Zufuhrsystem 4 weist eine Tandem-Anordnung mit zwei ringförmigen Kammern 7 und 8 mit getrennten Zufuhrrohren 9 und 10 und kreisringförmigen Auslaßöffnungen 11 und 12 auf, die die Faser 3 umgeben. Zwei Kammern wurden bei diese Vorrichtung vorgesehen, um die Möglichkeit einer unabhängigen Steuerung der gleichzeitigen Zuführung von zwei unterschiedlichen Reaktionsmitteln an das Reaktionsrohr zu erzielen. Die Verwendung von unterschiedlichen Reaktionsmitteln kann bei der Herstellung einer Beschichtung Anwendung finden, die einen äußeren Teil mit etwas anderer Struktur als ein innerer Teil aufweist, der in direkter Berührung mit dem darunterliegenden Glas steht. Für viele Anwendungen ist jedoch lediglich ein Reaktionsmittel erforderlich, wobei in diesem Fall lediglich eine der Kammern verwendet wird.
  • Am unteren Ende des Reaktionsrohres 5 ist eine Tandemanordnung von eine erste und eine zweite Stufe bildenden Abgassammelleitungen 13 und 14 mit einer dazwischenliegenden berührungsfreien Dichtung 15 angeordnet. Die aus der die zweite Stufe bildenden Auslaßsammelleitung austretende Faser 3 durchläuft eine unmittelbar anschließende Polymer-Beschichtungs- und Aushärtungsstufe (wobei die Aushärtestufe nicht gezeigt ist) und gelangt dann zu einer (nicht gezeigten) Aufwickeltrommel, wobei die Drehgeschwindigkeit dieser Aufwickeltrommel die Faserziehgeschwindigkeit steuert. Irgendein unverbrauchtes Reaktionsmittel, das über die erste Auslaßammelleitung abgegeben wird, wird beim Durchlaufen der Auslaßsammelleitung durch Öfen 16 porolysiert, bevor die Abgase mit denen von der zweiten Auslaßsammelleitung gemischt und einem (nicht gezeigten) Abzug zugeführt werden. Die berührungsfreie Dichtung 15 ist von der in der GB-A-2 159 812 beschriebenen Art und umfaßt zwei Rücken an Rücken angeordnete Luftbewegungseinrichtungen 16, 17. Diese Dichtung ermöglicht es, daß die nunmehr mit Kohlenstoffglas beschichtete Faser 3a aus der Kohlenstoffglas-Beschichtungsvor richtung ohne mechanische Berührung mit irgendeiner Oberfläche austreten kann, während gleichzeitig das Beschichtungs-Reaktionsmittel zurückgehalten und der Luftzutritt verhindert wird.
  • Wahlweise kann die Faser 3a unmittelbar mit einer Kunststoff- Schutzbeschichtung versehen werden, beispielsweise dadurch, daß sie durch einen Beschichtungskonus 18 geführt wird, der ein Kunststoffmaterial 19 enthält. Die mit Kunststoff beschichtete Faser 3b, die aus dem Konus 19 austritt, wird dann durch in dieser Figur nicht gezeigte Einrichtungen ausgehärtet.
  • Weil eine heterogene Abscheidung erwünscht ist, muß die Temperatur des Reaktionsofens unterhalb der Temperatur gehalten werden, bei der die entsprechende homogene Gasphasenreaktion mit irgendeiner wesentlichen Rate verläuft. Andererseits sollte die Temperatur der Reaktionsmittel in dem Reaktionsrohr so hoch wie möglich gehalten werden, um die Energie zu einem Minimum zu machen, die von der heißen Faser abgeleitet werden muß, um die erforderliche heterogene Abscheidung zu fördern.
  • Die Reaktionsofen-Temperatur ist nicht der einzige Parameter zur Beeinflussung der Dicke des Kohlenstoffglases, das auf die Faser beim Durchlaufen des Reaktionsrohres 5 abgeschieden wird. Es ist zu erkennen, daß auch die Anfangstemperatur der Faser beim Eintritt in das Rohr von Bedeutung ist, und zwar ebenso wie die Fasergröße. Alle weiter unten angegebenen Ergebnisse beziehen sich auf eine Faser, die auf einen Durchmesser von 1,25 ± 2 um gezogen wurde. Es wurde festgestellt, daß die Temperatur der Faser beim Eintritt in das Reaktionsrohr 5 teilweise von der Faserziehgeschwindigkeit und teilweise von der Durchflußmenge abhängt, auf die die Argonspülung durch den Ziehofen eingestellt ist. Es ist zu erkennen, daß die Temperatur der Faser beim Eintritt in das Reaktionsrohr sich der Spitzentemperatur des Ziehofens um so mehr nähert, je höher die Faserziehgeschwindigkeit ist. Die Argonspülung des Ziehofens beeinflußt die Temperatur, weil die Argonspülung über das Reaktionsrohr ausströmt. Bei normalen Spülmengen vergrößert eine Vergrößerung der Durchflußmenge die Wärmeübertragung von dem Ziehofen auf das Reaktionsrohr und ist entsprechend mit einer Vergrößerung der Temperatur der Faser beim Eintritt in das Reaktionsrohr verbunden. Im Prinzip könnte die Spüldurchflußmenge bis zu einem Pukt vergrößert werden, an dem sie so schnell ist, daß sie nicht mehr genug Wärme beim Durchlaufen durch den Ziehofen aufnehmen kann, wobei in diesem Fall eine weitere Vergrößerung der Spüldurchflußmenge eine Verringerung der Fasereintrittetemperatur hervorrufen würde.
  • Die Ziehgeschwindigkeit ist ebenfalls ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Dicke des Kohlenstoffglases, das auf der Faser beim Durchlaufen durch das Reaktionsrohr 5 abgeschieden wird. Ein Merkmal der Verwendung relativ hoher Ziehgeschwindigkeiten besteht darin, daß sich kein zu starker Abfall der Temperatur der Faser zwischen dem Verlassen des Ziehofens und dem Eintritt in das Reaktionsrohr ergibt, selbst wenn das obere Ende des Reaktionsrohres in einem gewissen Abstand von der Unterseite des Ziehofens angeordnet ist. Unter diesem Bedingungen ist ist möglich, die Vorrichtung nach Fig. 1 so zu modifizieren, daß zumindestens der größte Teil der Argonspülung von einem (nicht gezeigten) Rohr abgeleitet wird, das sich zwischen dem Ziehofen und dem Reaktionsrohr erstreckt, so daß die Argonspülung nicht in wesenlichem Ausmaß als Verdünnung für das Reaktionsgas in dem Reaktionsrohr wirkt. Zusätzlich verlängert eine Vergrößerung der Ziehgeschwindigkeit die Strecke, über die irgendein Abschnitt der Faser in das Reaktionsrohr eindringt, bevor dieser Abschnitt bis zu einem Punkt abgekühlt ist, bei dem er nicht mehr heiß genug ist, um irgendeine weitere heterogene Abscheidung einzuleiten. Im allgemeinen bedeutet diese größere Strecke, daß die Faser einer größeren Menge an Reaktionsmittel in dem Reaktionsrohr ausgesetzt ist, woraus eine größere Dicke der Abscheidung oder Beschichtung resultiert.
  • Zusätzlich zu den vorstehenden Faktoren wurde festgestellt, daß die Wahl des Reaktionsmittelgases eine deutliche Wirkung auf die Abscheidungsrate hat. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer vergleichenden Analyse der Abscheidungsrate, die sich bei der Verwendung verschiedener unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe ergibt, die nicht mehr als vier Kohlenstoffatome pro Molekül haben. Die Tabelle gibt eine Liste der Beschichtungsdicken, die mit zwei unterschiedlichen Durchflußmengen des Reaktionsmittels erzielt werden, nämlich 3,5 Liter pro Minute und 8,0 Liter pro Minute. im Fall von Azetylen betrug die Reaktionsmittel-Durchflußmenge lediglich zwei Liter pro Minute. Die Beschichtungen wurden auf einer Faser mit einem Durchmesser von 1,25 um ausgebildet, die von einem Rohling mit einer Rate von 20 m/min gezogen wurde. Die Durchflußmenge der Argonspülung durch den Ziehofen wurde auf 4,6 Liter pro Minute eingestellt, und die Temperatur des Ofens, der das Reaktionsrohr 5 umgibt, wurde auf 800ºC gehalten. Die Beschichtungsdicke wurde aus einer Messung der beschichteten Faser auf der Grundlage der Annahme berechnet, daß spezifische Widerstand der Kohlenstoffbeschichtung 1,2 x 10&supmin;&sup5; Ωm beträgt. Dieser Wert des spezifischen Widerstandes wurde seinerseits als Mittelwert aus einer Auger-Analyse und Elektronenabtastmikroskopmessungen der Beschichtungsdicke von Probenlängen der beschichteten Fasern und entsprechenden Messungen des Widerstandes pro Einheitslänge ermittelt (die Geräte, die zur Messung des Widerstandes pro Einheitslänge der Beschichtung verwendet wurden, waren in der Lage, Messungen bis zu einem Wert von ungefähr 2MΩ pro Meter zu liefern, was einer Beschichtungsdichte bis herunter zu ungefähr 1,6 nm entspricht). Die Tabelle zeigt eine beträchtliche Vergrößerung des Beschichtungswirkungsgrades, wenn die niedrigere Reaktionsmittel- Durchflußmenge im Fall von Iso-Butan, 1-Butan, Isobuten, Azetylen und Propadien verwendet wurde. Der Beschichtungswirkungsgrad, der im Fall der ungesättigten Elemente der Gruppe größer ist, ist besonders groß im Fall der Beispiele mit zwei ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, nämlich im Fall von Azetylen und Propadien, wobei der Beschichtungswirkungsgrad, der sich bei der Verwendung von Propadien ergibt, sehr beträchtlich größer als der ist, der sich bei der Verwendung von Azetylen ergibt. Mit einer Ausnahme wurde festgestellt, daß in jedem Fall, in dem die Beschichtungstiefe, die mit der höheren Reaktionsmittel-Durchflußmenge erzielt wurde, größer als die minimale Meßgrenze von 1,6 nm war, die Verwendung der höheren Reaktionsmittel-Durchflußmenge mit einer vergrößerten Abscheidu ngstiefe verbunden war. Der Grund für den unnormalen Effekt, der bei der Verwendung von 1-Buten beobachtet wurde, ist nicht vollständig verständlich, es wird jedoch angenommen, daß er in irgendeiner Weise mit dem vergrößerten Ausmaß der Abschreckung in Verbindung steht, die sich durch die größere Durchflußmenge der kalten Reaktionsmittel-Gasströmung ergibt.
  • Die Tabelle 1 zeigt für zwei spezielle Sätze von Abscheidungs - oder Aufdampfbedingungen einen Vergleich der Beschichtungsdicken, die mit unterschiedlichen Reaktionsmitteln erzeugt werden. Es ist in keiner Weise sicher, daß einer dieser Sätze von Abscheidungsbedingungen in irgendeiner Weise dem Idealzustand für den Beschichtungswirkungsgrad und die Beschichtungswirksamkeit angenähert war, so daß ein weiterer Satz von Vergleichsversuchen bezüglich Propadien durchgeführt wurde, um diesen Sachverhalt zu untersuchen. Einige Ergebnisse dieser Vergleichsversuche sind in der Tabelle 2 dargestellt.
  • Die Bedingungen des Beispiels 1 der Tabelle 2 sind die gleichen, wie sie für das Beispiel mit einer Durchflußmenge von 3,5 Liter pro Minute in Tabelle 1 angegeben sind. Der Übergang vom Beispiel 1 der Tabelle 2 bis zum Beispiel 6 zeigt einen deutlichen Anstieg des Beschichtungswirkungsgrades in Ausdrücken der Menge an Kohlenstoff, die auf der Faser abgeschieden wurde, zur Menge des verwendeten Propadiens.
  • Die Tabelle 1 scheint anzudeuten, daß das nächstbeste Reaktionsmittel nach Propadien wahrscheinlich Azetylen ist, doch ergeben die Beispiele der Tabelle 1 keinen direkten Vergleich zwischen diesen beiden Materialien, weil es unter den speziellen Bedingungen hinsichtlich der verwendeten HNCVD-Beschichtungsvorrichtung es nicht möglich war, die Acetylen-Durchflußmenge bis zu der Durchflußmenge von 3,5 Litern pro Minute zu vergrößen, wie sie bei den anderen Reaktionsmitteln verwendet wurde, ohne daß eine Verbrennung des überschüssigen Azetylens in der Nähe des Austrittspunktes des beschichteten Films aus der Beschichtungsvorrichtung ergab.
  • Die in Tabelle 3 angegebenen Ergebnisse wurden unter Verwendung einer abgeänderten Vorrichtung gewonnen und ergeben einen direkten Vergleich, was eine angenähert vierfache Verbesserung des Beschichtungswirkungsgrades zeigt, wenn von Azetylen auf Propadien übergegangen wird. Diese alternative HNCVD-Vorrichtung war 70 cm unter dem Faserziehbereich angeordnet, wobei die Faserziehofen-Temperatur bei 2275ºC stabilisiert war und wobei die Faser mit einer Geschwindigkeit von 240 m/min gezogen wurde. in dem HNCVD-Reaktionsrohr wurde die Strömung des Reaktionsmittelgases mit einer Verdünnungsströmung aus Argon mit einer Durchflußmenge von 2 Litern pro Minute ergänzt.
  • Bei manchen Anwendungen besteht ein Hauptgrund für das Aufbringen einer Kohlenstoffglas-Beschichtung auf eine Lichtleitfaser darin, diese mit einem vergrößerten Widerstand gegen Spannungskorrosion zu versehen. Der Faktor 'N' der Neigung einer Lichtleitfaser zu einer Spanungskoorosion kann dadurch ausgewertet werden, daß eine Anzahl von dynamischen Zugfestigkeitsuntersuchungen bis zu einem Reißen über einen Bereich von Dehnungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird. Fasern, die relativ stark zu einer Spannungskorrosion neigen, weisen eine mittlere Bruchdehnung auf, die deutlich mit einer abnehmenden Dehnungsgeschwindigkeit absinkt, während die Bruchdehnung von Fasern, die gegen eine Spannungskorrosion relativ stark widerstandsfähig sind, nahezu unabhängig von der Dehnungsgeschwindigkeit ist. Ein Abschätzwert für 'N' kann dadurch gewonnen werden, daß der Gradient der Kurve gemessen wird, die dadurch erzeugt wird, daß der Logarithmus der mittleren Bruchdehnung als Funktion des Logarithmus der Dehnungsgeschwindigkeit aufgezeichnet wird und dieser Wert gleich 1/(N + 1) gesetzt wird. 'N' ist somit im wesentlichen ein umgekehrtes Maß des Ausmaßes, mit dem sich die Bruchdehnung (Festigkeit) einer Faser als eine Funktion der Dehnungsgeschwindigkeit ändert. Entsprechend sind hohe Werte von N in diesem Zusammenhang wünschenswert.
  • Um das Ausmaß des Spannungskorrosionsschutzes zu untersuchen, der sich durch die Kohlenstoffglas-Beschichtung ergibt, die aus Propadien unter den in dem Beispiel 3 der Tabelle 2 angegebenen Bedingungen erzeugt wird, wurde ein Längenabschnitt einer auf diese Weise beschichteten Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 125 um von der Kohlenstoffbeschichtungsvorrichtung direkt in eine eine offene Schale bildenden Beschichtungskonus eingeleitet, in dem sie direkt mit einer bei Ultraviolettlicht aushärtenden Acrylatbeschichtung bis zu einem Gesamtdurchmesser von 250 um beschichtet wurde. Dynamische Zugfestigkeitsprüfungen über fünf Dekaden von Dehnungsgeschwindigkeiten wurden an 0,5 m langen Proben durchgeführt, die von diesem Längenabschnitt der Faser genommen wurden. Aus Messungen des Mittelwertes der Proben bei jeder Dehnungsgeschwindigkeit wurde ein berechneter Wert von N = 695 für den Spannungskorrosions-Neigungsfaktor für die mit Kohlenstoffglas beschichtete Faser gewonnen. Im Gegensatz hierzu ergaben äquivalente Versuche, die an ähnlichen Proben vorgenommen wurden, die von einem Längenabschnitt einer im wesentlichen gleichen Faser genommen wurden, die sich von der vorstehenden lediglich dahingehend unterschied, daß sie keine Kohlenstoffglasbeschhichtung unter dem Acrylat aufwies, einen Spannungskorrosions-Neigungsfaktor von N = 30.
  • Für manche Anwendungen besteht der Hauptgrund für die Anwendung einer Kohlenstoffglasbeschichtung auf einer Lichtleitfaser nicht so sehr in deren Spannungskorrosions-Schutzeigenschaften, sondern in der Tatsache, daß die Beschichtung eine Sperre gegen eine Wasserstoffdiffusion ergibt. Versuche zur Untersuchung dieses Merkmals wurden an Proben mit einer Länge von 1 km einer mit Acrylat beschichteten Faser durchgeführt, die auf Glaswickeln aufgewickelt waren und einer Umgebung von reinem Wasserstoff bei einem Druck von 10 Atmosphären bei 150ºC für längere Zeitperioden ausgesetzt waren. Diese Bedingungen dienen dazu, eine 'beschleunigte' Nachbildung des Ergebnisses der Aufnahme von Wasserstoff zu liefern, und diese Technik ist gut bekannt und wird weitgehend auf dem Gebiet der Prüfung von Lichtleitfasern verwendet. Die erhöhte Temperatur dient zur Vergrößerung der Geschwindigkeit der Wasserstoffdiffusion, während der hohe Druck dazu dient, den Sättigungspegel der Wasserstoffkonzentration zu vergrößern, zu dem die Faserstruktur schließlich gelangt.
  • Eine Anzeige des Vorhandenseins und der Konzentration von molekularem Wasserstoff, der in die Lichtleitstruktur einer Lichtleitfaser eindiffundiert sein kann, wird dadurch erzielt, daß die optische Dämpfung der Faser über einen geeigneten Bereich des Spektrums gemessen wird, in dem das Vorhandensein und die Höhe der Absorbtionsspitzen überprüft werden kann, die für molekularen Wasserstoff charakteristisch sind. Es ist bekannt, daß molekularer Wasserstoff Absorbtionsspitzen bei ungefähr 1244 nm und bei ungefähr 1690 nm hervorruft, und die Höhe dieser beiden Spitzen über der spektralen Grundlinie ergibt ein Maß der Konzentration des molekularen Wasserstoffs. Unter Verwendung dieser Messungen ist es dann möglich, das Betriebsverhalten der Faser unter den interessierenden Umgebungsbetriebsbedingungen zu berechnen.
  • Vergleichende Sspektralabsorbtionsuntersuchungen wurden anhand von vier 1 km-Längen der Lichtleitfaser durchgeführt, die den weiter oben erwähnten 'beschleunigten' Wasserstoffdiffusionsbedingungen von 10 Atmosphären Wasserstoff bei 150º ausgesetzt waren. Die ersten drei Längenabschnitte waren Fasern mit einem Durchmesser von 1,25 um mit Kohlenstoffglasbeschichtungen, wie sie unter Bezugnahme auf die Beispiele 2, 3 und 4 der Tabelle 2 beschrieben wurden, wobei sie direkt aufgebrachte UV-gehärtete Acrylat-Beschichtungen bis zu einem Gesamtdurchmesser von 250 um aufwiesen. Die vierte Faser, die für Vergleichszwecke gefertigt wurde, war ein Längenabschnitt einer im wesentlichen identischen Faser mit einem Durchmesser von 125 um, die mit einer im wesentlichen identischen Acrylat-Beschichtung bis zii einem Gesamtdurchmesser von 250 um versehen war, jedoch keine Kohlenstoffglas-Beschichtung zwischen dem Glas der Faser und deren Acrylatbeschichtung aufwies.
  • Bei allen drei Beispielen der mit Kohlenstoffglas beschichteten Faser waren die beiden Spitzen, die für molekularen Wasserstoff charakteristisch sind, oberhalb der spektralen Grundlinie nicht feststellbar, und zwar selbst nach Beeinflussungsperioden, die von 400 Stunden bis zu 2900 Stunden reichten. Im Gegensatz hierzu ergab im Fall des Beispiels der Faser ohne jede Kohlenstoffglas-Beschichtung eine Messung der Absorbtionsspitze bei 1244 nm nach einer Beaufschlagung von 130 Stunden einen Wert von 23 dB/km oberhalb der Grundlinie. Bei diesem speziellen Satz von Versuchen wurden keine Messungen vor 130 Stunden durchgeführt, doch zeigten andere Messungen an einer ähnlichen Faser ohne jede Kohlenstoffglas-Beschichtung unter dem Acrylat bei Spektralmessungen, daß sich eine Sättigung mit molekularem Wasserstoff typischerweise in weniger als 10 Stunden der Beaufschlagung ergibt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser mit einer Kohlenstoffglas-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zumindestens hauptsächlich durch die Pyrolyse von Propadien gebildet ist.
2. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser mit einer Kohlenstoffglas-Beschichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Pyrolyse in einem Reaktionsrohr erfolgt, das auf einer Temperatur gehalten wird, die nicht ausreicht, um die Pyrolyse mit einer wesentlichen Rate zu fördern, und bei dem die Pyrolyse durch die Hitze der Faser gefördert wird, die in das Reaktionsrohr mit einer höheren Temperatur eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Abscheidung der Kohlenstoffglas-Beschichtung in einem Vorgang mit der Erzeugung der Glasfaser durch Ziehen von der durch Wärme erweichten Spitze eines Glasstabrohlinges durchgeführt wird, und bei dem die höhere Temperatur durch die Wärme geliefert wird, die noch in der Faser nach seiner Herstellung aus dem Rohling enthalten ist.
DE69010282T 1989-05-31 1990-05-29 Kohlenstoffbeschichtung von optischen Fasern. Expired - Fee Related DE69010282T2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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GB898912470A GB8912470D0 (en) 1989-05-31 1989-05-31 Carbon coating of optical fibres

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Publication Number Publication Date
DE69010282D1 DE69010282D1 (de) 1994-08-04
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