耐高溫光纖的制造及性能研究

摘?要：耐高溫光纖可以在高溫等惡劣環(huán)境中保持良好的光學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性。光纖本身的材質(zhì)為二氧化硅，能夠耐受高溫，因而耐高溫光纖的耐溫性能取決于其涂層材料。本文介紹了4種耐高溫涂料及其對(duì)應(yīng)的耐高溫光纖，研究了耐高溫光纖的高溫老化性能、溫度循環(huán)性能和耐濕性能，發(fā)現(xiàn)4種耐高溫光纖可以在-60～+150℃下長期使用，涂層無變質(zhì)脫落，光纖的衰減對(duì)溫度變化不敏感，光纖經(jīng)過高溫老化后仍然能夠保持較高的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：光纖；耐高溫；涂料；性能

1?引言

廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信技術(shù)的光纖由于體積小、重量輕及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，一直備受關(guān)注。隨著光纖應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，對(duì)光纖的要求也越來越高。近年來，光纖已被廣泛應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，例如油氣管道及油井、高溫醫(yī)療、電力、能源和航空航天等。光纖一般是通過預(yù)制棒高溫熔融后以一定的速度牽引得到的石英裸光纖，并立即涂覆有保護(hù)性的聚合物。石英的熔點(diǎn)大約為1700℃，其軟化溫度約在1400～1500℃，具有良好的高溫性能，因而耐高溫光纖的耐溫范圍主要取決于其涂層材料。而傳統(tǒng)光纖的保護(hù)性涂層為丙烯酸酯聚合物，其工作溫度范圍為-60～+85℃。當(dāng)在溫度高于85℃長時(shí)間使用時(shí)，丙烯酸酯涂層會(huì)發(fā)生熱降解而老化，特別是存在氧氣的情況下，涂層發(fā)黃發(fā)黑，隨著時(shí)間的推移失去其保護(hù)作用。為了在高溫下成功使用光纖，需要解決光纖涂層的耐熱問題，同時(shí)需要解決光纖的傳輸性能和可靠性問題。

2?耐高溫光纖

2.1??耐高溫涂層材料

由于石英本身能夠耐受的溫度比較高，耐高溫光纖的關(guān)鍵在于涂層材料的選用。本文研究了4種組合耐高溫圖層材料（第一涂層與第二涂層為不同涂層材料）用于耐高溫光纖的制備，耐高溫組合涂層材料的性能見表?1。

2.2?耐高溫光纖樣品

本文通過上面4種組合涂層材料分別制得了4種耐高溫單模光纖，所用預(yù)制棒為同一根棒，光纖包層直徑為125μm±1μm，使用HTC1涂層材料組合拉制的光纖為?F1，使用?HTC2涂層材料組合拉制的光纖為?F2，使用?HTC3涂層材料組合拉制的光纖為F3，F(xiàn)4內(nèi)外涂層材料均為HTC4。為了進(jìn)行比較，使用普通的丙烯酸酯涂料制備出的光纖為P1，4種耐高溫光纖的涂層外徑（典型值）見表?2。

2.3?耐高溫光纖耐溫試驗(yàn)

根據(jù)2.2制備出5種光纖，從中分別取2.1km試樣，繞成直徑300mm的圈，放入烘箱中（光纖的耐高溫試驗(yàn)如圖1所示）。先測試常溫狀態(tài)下的衰減系數(shù)，然后升溫至150℃保持，其間每天定時(shí)測試?5種光纖的衰減系數(shù)，計(jì)算其與常溫下的差值，即為附加衰減。

3?性能試驗(yàn)

3.1?耐高溫光纖常溫下的性能

對(duì)于耐高溫光纖，其傳輸性能和機(jī)械性能是比較重要的。首先確定了拉制出的光纖的衰減系數(shù)、涂覆層剝離力（平均值）、抗拉強(qiáng)度（Weibull概率水平50%）和動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的典型值，耐高溫單模光纖的光學(xué)性能和機(jī)械性能（典型值）見表3。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，光纖的衰減之間并沒有顯著的差異，其中F4在1550nm窗口處的衰減相對(duì)較高，是由于其使用的單涂層，涂層模量較高。很顯然，第一涂層的模量與光纖1550nm處的衰減呈現(xiàn)相關(guān)性，第一涂層模量越小，光纖1550nm處的衰減越小。同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耐高溫光纖的抗拉強(qiáng)度與光纖涂層的模量無相關(guān)性影響。

3.2?耐高溫光纖的高溫性能

耐高溫光纖相比于普通的通信光纖因具有較好的耐高溫性能而能夠在高溫環(huán)境中使用。光纖在高溫惡劣環(huán)境中使用，需要長時(shí)間內(nèi)保持光學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度，因而設(shè)計(jì)5種光纖在150℃下的老化試驗(yàn)，試驗(yàn)中的光纖處于零張力狀態(tài)，耐高溫光纖在高溫下1550nm波長處附加衰減情況如圖?2?所示。從圖2中可以看出，普通丙烯酸酯涂層的光纖P1在150℃下1550nm波長處的附加衰減不高于0.02?dB/km，滿足高溫老化條件下的傳輸損耗使用要求，但是高溫老化后的光纖涂層發(fā)黑。對(duì)高溫老化后的光纖進(jìn)行抗拉強(qiáng)度（Weibull概率水平50%）測試，高溫老化前后光纖斷裂抗拉強(qiáng)度分布如圖3所示。P1高溫老化后的光纖強(qiáng)度低于400Kpsi，這也是之前提到的在溫度高于85℃長時(shí)間使用時(shí)，丙烯酸酯涂層會(huì)發(fā)生熱降解而老化，隨著時(shí)間的推移失去其保護(hù)作用。而其他4種耐高溫光纖在150℃下老化后，光纖在1550nm波長處的附加衰減低于0.02dB/km，恢復(fù)常溫后測試其抗拉強(qiáng)度高于600Kpsi，見圖3，除了F2抗拉強(qiáng)度略有下降，F(xiàn)1、F3和?F4抗拉強(qiáng)度均有提升，說明高溫老化后的涂層材料仍然具有保護(hù)作用，不影響其繼續(xù)使用。圖3中光纖編號(hào)后的?H表示高溫老化之后的抗拉強(qiáng)度。

3.3?耐高溫光纖的溫度循環(huán)性能

耐高溫光纖的使用并不是一次性的，往往需要反復(fù)使用，這就需要確定光纖經(jīng)受溫度變化的衰減穩(wěn)定性。耐高溫光纖在10次溫度循環(huán)試驗(yàn)中1550nm波長處的附加衰減如圖4所示。從常溫開始，先降溫至-60℃,保持一段時(shí)間后測試其衰減變化，再升溫至?150℃?,保持一段時(shí)間后測試其衰減變化，如此循環(huán)10次。從圖?4中可以發(fā)現(xiàn)，在高溫150℃下，4種耐高溫光纖在1550nm波長處的附加衰減均不高于0.015dB/km；在低溫-60℃下，4種耐高溫光纖在1550nm波長處的衰減基本無變化，也就是說，耐高溫光纖對(duì)低溫不敏感。很明顯，4種耐高溫光纖可以在-60～150℃下長期使用。

3.4?耐高溫光纖的耐濕性能

目前市場上對(duì)耐高溫光纖提出了耐濕性能的要求，耐溫試驗(yàn)控制如圖5所示。光纖按照?qǐng)D5所示的路線進(jìn)行試驗(yàn)，即松繞的光纖（圈徑為300mm）先在50℃下預(yù)處理?24h，然后經(jīng)過測試后，按照?qǐng)D5的循環(huán)方式試驗(yàn)10次，每個(gè)循環(huán)結(jié)束后記錄光纖的衰減情況，試驗(yàn)結(jié)束后檢查光纖外觀。本文對(duì)4種耐高溫光纖F1～F4進(jìn)行了耐濕試驗(yàn)，耐高溫光纖在耐濕試驗(yàn)中1550nm波長處的衰減變化情況如圖6所示。10次循環(huán)試驗(yàn)中，F(xiàn)1和?F3在?1550nm?波長處的附加衰減不高于0.003dB/km，F(xiàn)2和F4在1550nm波長處的附加衰減不高于0.005dB/km，這表明4種耐高溫光纖均具有優(yōu)異的耐濕性能。同時(shí)，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)耐濕試驗(yàn)后的光纖外徑進(jìn)行檢查，以?F1光纖為例，耐濕試驗(yàn)?F1光纖的外觀如圖7所示。從圖?7中可以看出，試驗(yàn)前后的光纖涂層光滑，無收縮或隆起，也無脫落現(xiàn)象，也證明了耐高溫光纖具有優(yōu)異的耐濕性能。耐濕后的F1光纖測試其強(qiáng)度?689Kpsi，其剝離力平均值?1.8N，也很好地證明了耐濕試驗(yàn)前后光纖具有可靠的機(jī)械性能。

4??結(jié)論

隨著5G時(shí)代來臨，物聯(lián)網(wǎng)普及，特種光纖的應(yīng)用越來越廣闊，作為油井、引擎等高溫惡劣環(huán)境中使用的耐高溫光纖備受關(guān)注。本文采用4種不同的涂層材料組合，制備出了4種耐高溫光纖，并試驗(yàn)了耐高溫光纖的高溫性能、溫度循環(huán)性能和耐濕性能。試驗(yàn)條件下，4種光纖在1550nm波長處的附加衰減均不高于0.02?dB/km，顯示出光纖具有優(yōu)異的傳輸性能；高溫老化后，耐高溫光纖的抗拉強(qiáng)度有所提升，均高于600Kpsi，說明耐高溫光纖具有優(yōu)異的機(jī)械可靠性。耐濕試驗(yàn)證明耐高溫光纖可以在高濕環(huán)境中使用，滿足市場上對(duì)耐高溫光纖性能要求。綜上，4種耐高溫光纖均可以在-60～150℃下長期使用。

來源：中國通信學(xué)會(huì) 2024 年通信線路學(xué)術(shù)年會(huì)論文集?