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1、第五章 光纤光缆制造工艺及设备重点内容:原料提纯工艺、预制棒汽相沉积工艺、拉丝工艺、套塑工艺、余长形成、松套水冷、绞合工艺、层绞工艺难点: 汽相沉积工艺参数确定、拉丝环境保护、余长的控制、梯度水冷的控制、绞合参数的选择主要内容:（1）光纤制造工艺(2)缆芯制造工艺（成缆工艺）二次套塑缆芯 光纤原料制备及提纯质量检测与控制光纤预制棒熔炼及表面处理合格光纤拉丝及一次涂覆工艺二次涂覆工艺光纤张力筛选及着色工艺中心管式单元带状光纤紧套光纤松套光纤 层绞式单元加强件张力筛选合格一次着色光纤性能检测骨架式缆芯单元光纤防水油膏光纤防水石油膏绞合机光缆油膏 阻水带 包扎带 填充绳光纤防水油膏性能检测(3)护套
2、挤制工艺成品光缆图 50-1 光纤光缆制造工艺流程图通信用光纤是由高纯度 SiO2与少量高折射率掺杂剂 GeO2、TiO 2、Al 2O3、ZrO 2和低折射率掺杂剂 SiF4(F)或 B2O3或 P2O5等玻璃材料经涂覆高分子材料制成的具有一定机械强度的涂覆光纤。而通信用光缆是将若干根（12160 根）上述的成品光纤经套塑、绞合、挤护套、装铠等工序工艺加工制造而成的实用型的线缆产品。在光纤光缆制造过程中，要求严格控制并保证光纤原料的纯度，这样才能生产出性能优良的光纤光缆产品，同时，合理的选择生产工艺也是非常重要的。目前，世界上将光纤光缆的制造技术分成三大工艺.5.0.1 光纤制造工艺的技术要
3、点:1.光纤的质量在很大程度上取决于原材料的纯度，用作原料的化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于几个 ppb，含氢化合物的含量应小于 1ppm，参与反应的氧气和其他气体的纯度应为 6 个 9（99.9999）以上，干燥度应达80露点。2.光纤制造应在净化恒温的环境中进行，光纤预制棒、拉丝、测量等工序均应在10000 级以上洁净度的净化车间中进行。在光纤拉丝炉光纤成形部位应达 100 级以上。光纤预制棒的沉积区应在密封环境中进行。光纤制造设备上所有气体管道在工作间歇期间，均应充氮气保护，避免空气中潮气进入管道，影响光纤性能。3.光纤质量的稳定取决于加工工艺参数的稳定。光纤的制备不仅需要一整套
4、精密的生产设备和控制系统，尤其重要的是要长期保持加工工艺参数的稳定，必须配备一整套的用来检测和校正光纤加工设备各部件的运行参数的设施和装置。以 MCVD 工艺为例：要对用来控制反应气体流量的质量流量控制器（MFC）定期进行在线或不在线的检验校正，以保证其控制流量的精度；需对测量反应温度的红外高温测量仪定期用黑体辐射系统进行检验校正，以保证测量温度的精度；要对玻璃车床的每一个运转部件进行定期校验，保证其运行参数的稳定；甚至要对用于控制工艺过程的计算机本身的运行参数要定期校验等。只有保持稳定的工艺参数，才有可能持续生产出质量稳定的光纤产品。5.0.2 光缆缆芯制造工艺的技术要点：每种光缆都有自己的
5、生产工艺，因为它们之间存在着不同的性能要求和结构型式，所以各部分材料不尽相同，结构方面存在差异。故生产过程中都有自己的生产工艺流程。但是各种光缆的基本制造工艺流程是基本相同的。成缆工艺首先要做两方面的准备并应注意这样几点技术要点：合格的缆芯检验光缆油膏内护套 装铠 外护套 打印标记 检验加强件 阻水带 包扎带 填充绳 护套胶（1）选择具有优良传输特性的光纤，此光纤可以是单模光纤也可以是多模光纤，并对光纤施加相应应力的筛选，筛选合格之后才能用来成缆；（2）对成缆用各种材料，强度元件，包扎带，填充油膏等进行抽样检测，100的检查外形和备用长度，同时，按不同应用环境，选择专用的成缆材料。（3）在层绞
6、结构中要特别注意绞合节距和形式的选择，要合理科学，作到在成缆、？设和使用运输中避免光纤受力。（4）在骨架式结构中注意光纤置入沟槽时所受应力的大小，保证光纤既不受力也不松驰跳线。（5）中心管式结构中特别注意中心管内部空间的合理利用，同时注意填充油膏的压力与温度的控制。5.0.3 光缆外护套挤制工艺的技术要点根据不同使用环境，选择不同的护套结构和材料，并要考虑？设效应和老化效应的影响。在挤制内外护套时，注意挤出机的挤出速度、出口温度与冷却水的温度梯度、冷却速度的合理控制，保证形成合理的材料温度性能。对于金属铠装层应注意铠装机所施加压力的控制。5.1 光纤原料、制备与提纯工艺5.1.1光纤原料特点1
7、SiO 2光纤原料试剂与制备制备 SiO2石英系光纤的主要原料多数采用一些高纯度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl 4）, 四氯化锗（ GeCl4） ，三氯氧磷（POCl 3） , 三氯化硼（BCl 3）, 三氯化铝（AlCl 3）,溴化硼（BBr 3） ，气态的六氟化硫（SF 6）,四氟化二碳(C 2F4)等。这些液态试剂在常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟，同时放出热量，属放热反应。以 SiCl4为例，它的水解化学反应式如下：SiCl4+2H2O 4HCl+SiO2 (5-1-1)SiCl4+4H2O H4SiO4+4HCl (5-1-2)由于卤化物试
8、剂的沸点低，SiCl 4试剂的沸点在 57.6，故易汽化，故提纯工艺多采用汽相提纯。SiCl 4的化学结构为正四面体，无极性，与 HCl 具有同等程度的腐蚀性，有毒。SiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的 8595。SiCl 4的制备可采用多种方法，最常用的方法是采用工业硅在高温下氯化制得粗 SiCl4，化学反应如下：Si+2Cl2 SiCl4 (5-1-3)该反应为放热反应，反应炉内温度随着反应加剧而升高，所以要控制氯气流量，防止反应温度过高，生成 Si2Cl6和 Si3Cl8。反应生成的 SiCl4蒸气流入冷凝器，这样制得 SiCl4液体原料,工艺流程如图 5-1-2。2SiO
9、2光纤原料的提纯试剂提纯工艺经大量研究表明，用来制造光纤的各种原料纯度应达到 99.9999，或者杂质含量要小于 106 。大部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂目前已有成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法，水解法，萃取法和络合法等。目前在光纤原料提纯工艺中，广泛采用的是“精馏吸附精馏”混合提纯法。如图 5-1-3。一般情况下，SiCl 4中可能存在的杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和某些非金属氧化物的沸点和光纤化学试剂的沸点相差很大，可采用精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去，光纤中含有的金属杂质的某些特
10、性如表 5-1-3 所示。然而，精馏法对沸点（57.6）与 SiCl4相近的组分杂质及某些极性杂质不能最大限度的除去。例如：在 SiCl4中对衰减危害最大的 OH-离子，它可能主要来源于 SiHCl3和其他含氢化合物，而且大多有极性，趋向于形成化学键，容易被吸附剂所吸收。而 SiCl4是偶极矩为零的非极性分子，有着不能或者很少形成化学键的稳定电子结构，如图 5-1-4，不易被吸附剂吸附，因此，利用被提纯物质和杂质的化学键极性的不同，选择适当的吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，可以达到进一步提纯极性杂质的目的。精馏是蒸馏方法之一，主要用于分离液体混合物，以便得到纯度很高的单一液体物质。精馏塔由
11、多层塔板和蒸馏釜构成，蒸馏得到的产品可分为塔顶馏出液（SiCl 4液体）和蒸馏釜殘液（含金属杂质物质）二种，SiCl 4馏出液由塔顶蒸汽凝结得到，为使其纯度更高，将其再回流入塔内，并与从蒸馏釜连续上升的蒸汽在各层塔板上或填料表面密切接触，不断地进行部分汽化与凝缩，这一过程相当于对 SiCl4液体进行了多次简单的蒸馏，可进一步提高 SiCl4的分离纯度。吸附剂的种类及选择：吸附剂是指对气体或溶质发生吸附现象的固体物质。在应用上要求具有巨大的吸附表面，同时对某些物质必须具有选择性的吸附能力。一般为多孔性的固体颗粒或粉末。常用的吸附剂有活性炭、硅氧胶、活性氧化铝和分子筛等。在光纤原料提纯工艺中使用的
12、吸附剂有两种：活性氧化铝吸附柱和活性硅胶，利用活性氧化铝和活性硅胶吸附柱完成对 OH-、H +等离子的吸附。在四级精馏工艺中再加一级简单的蒸馏工艺并采用四级活性氧化铝吸附剂和一级活性硅胶吸附剂作为吸附柱。这就构成了所谓的“精馏吸附精馏”综合提纯工艺。采用这种提纯工艺可使 SiCl4纯度达到很高的水平，金属杂质含量可降低到 5ppb 左右，含氢化物SiHCl3的含量可降低到n2，就满足了光波在芯层传输的基本要求。几何尺寸:将制得的光纤预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，并以相似比例尺寸拉制成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯层和包层的厚度比例及折射率分布，与原始的光纤预制棒材料完全一致，这
13、些很细的玻璃丝就是我们所需要的光纤。当今，SiO 2光纤预制棒的制造工艺是光纤制造技术中最重要、也是难度最大的工艺，传统的 SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采用气相反应沉积方法。目前最为成熟的技术有四种：美国康宁公司在 1974 年开发成功，1980 年全面投入使用的管外气相沉积法，简称 OVD法（OVDOutside Vaper Deposition） ；美国阿尔卡特公司在 1974 年开发的管内化学气相沉积法，简称 MCVD 法（MCVDModified Chemical Vaper Deposition） ；日本 NTT 公司在 1977 年开发的轴向气相沉积法，简称 VAD 法（VADV
14、aper Axial Deposition） ；荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体化学气相沉积法，简称 PCVD 法（PCVDPlasma Chemical Vaper Deposition） 。上述四种方法相比，其各有优缺点，但都能制造出高质量的光纤产品，因而在世界光纤产业领域中各领一份风骚。除上述非常成熟的传统气相沉积工艺外，近年来又开发了等离子改良的化学气相沉积法（PMCVD） 、轴向和横向等离子化学气相沉积法（ALPD） 、MCVD大棒法、MCVD/OVD 混合法及混合气相沉积法（HVD） 、两步法等多种工艺。气相沉积法的基本工作原理:首先将经提纯的液态 SiCl4和起掺杂作用的液态卤化
15、物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。由于该方法选用的原料纯度极高，加之气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控制过渡金属离子和 OH-羟基的目的。尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，但是气相技术也有其不足之处，如原料昂贵，工艺复杂，设备资源投资大，玻璃组成范围窄等。为此，人们经不断的艰苦努力，终于研究开发出一些非气相技术制备光纤预制棒：界面凝胶法BSG，主要用于制造塑料光纤；直接熔融法DM，主在用于制备多组份玻璃光纤；玻璃分相法PSG；溶胶凝胶法SOL-GFL，最常用于生产石英系光纤的包层材料；机械挤压成型法MSP。5.21.管内化学气相沉积法管内化学气相沉积法，是目前制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠的方法，它又称为“改进的化学气相沉积法” （MCVD） 。MCVD 法的特点是在一根石英包皮管内沉积内包皮层和芯层玻璃，整个系统是处于全封闭的超提纯状态，所以用这种方法制得的预制棒纯度非常的高，可以用来生产高质量的单模和多模光纤。MCVD 法制备光纤预制棒工艺可分为二步：第一步，熔炼光纤预制棒的内包层玻璃MCVD 法制备光纤预制棒工艺可分为二步：第一步，熔炼光纤预制棒的内包层玻璃制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射率，因此，主体材料选用四氯化硅
