涂料對光纖的影響

1、涂料對光纖的影響摘要：在光纖通信中光纖的質(zhì)量極其重要，本文簡要介紹涂層材料對石英光纖的 影響。關(guān)鍵詞：光纖石英光纖涂層材料一、光纖的發(fā)展光通訊是人類最早應(yīng)用的通訊方式之一。從烽火傳遞信號，到信號燈、旗語 等通訊方式，都是光通訊的范疇。但由于受到視距、大氣衰減、地形阻擋等諸多 因素的限制，光通訊的發(fā)展緩慢。1870年的一天，英國物理學(xué)家丁達爾到皇 家學(xué)會的演講廳講光的全反射原理，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上 鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光 的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了（圖1）人們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿

2、著從酒桶中噴出的細(xì)酒流傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光 能順著彎曲的玻璃棒前進。這是為什么呢？難道光線不再直進了嗎？這些 現(xiàn)象引起了丁達爾的注意，經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光 從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都 反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。實際上，在彎曲的水 流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過 多次全反射向前傳播。根據(jù)這一原理，人們造出了光導(dǎo)纖維。現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)造的奇跡之一，是使光像電流一樣沿著導(dǎo)線傳輸。不過， 這種導(dǎo)線不是一般的金屬導(dǎo)線，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱它為光導(dǎo)纖維，又叫光學(xué)纖維，簡稱光纖（如圖 2）按照制

3、造光纖使用的材料的不同來分，可分為玻璃光纖、全塑光纖及 石英系列光纖等。在光纖通信中，目前主要采用石英材料制成的光纖眾所周知，玻璃是一種寧折不撓的硬性材料，它既不耐沖擊，又不能拗屈。 但把玻璃抽成細(xì)絲后，它就會一反常態(tài)地變得柔軟耐磨，可撓易彎，還具有不 燃燒、耐腐蝕、隔熱、吸音、強度大的特點。如經(jīng)樹脂涂層和印染處理，還可作 為室內(nèi)裝飾用布。人們又發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的細(xì)度越細(xì)，則柔韌性越好，合股線的 強力也就越高。又由于玻璃的透光性能好，還有傳遞光能的作用，因此，從70 年代起，人們就成功地將二氧化硅玻璃纖維用于光通訊技術(shù)。這是第一代光導(dǎo)纖 維，它是用二氧化硅玻璃纖維做芯線，線外用甲基丙烯酸酯涂膜，

4、以增強光導(dǎo)纖 維的機械強度和防止光能散射。但是，這種光導(dǎo)纖維的抽絲和對接難度大，推廣 應(yīng)用困難。于是，1964年美國首先研制成功了第二代光導(dǎo)纖維，它采用合成材 料做芯線（如用重氫取代氫離子的聚甲基丙烯酸甲酯做芯線），外層涂料用聚乙 烯或聚四氟乙烯。也有采用丙烯腈做芯線，用聚苯乙烯做涂料的光導(dǎo)纖維。這種 光導(dǎo)纖維的芯線透射率高，涂層折射率低，光能損耗低于20dB，而且加工技術(shù) 簡單，可加工極細(xì)的光導(dǎo)纖維，目前應(yīng)用的細(xì)度可達0.005mm以下，可方便地 根據(jù)需要來加工導(dǎo)線的長度，這樣可減少接頭的損耗，而且柔軟度優(yōu)于玻璃纖維， 便于推廣使用。所以在選擇光纖材料是至關(guān)重要的！下面介紹一下目前主要采用的

5、石英材料 制成的光纖。二、石英光纖簡介石英光纖是一種基于石英玻璃為芯材的光導(dǎo)纖維，石英光纖分為石英包層fHCS）的石英 光纖和塑料包層（PCS）的石英光纖，HCS石英光纖的芯層和包層材料都是石英玻璃，只是通過 摻雜技術(shù)使得芯層的石英玻璃的折射率高于包層的石英玻璃，而PCS石英光纖的芯層是石 英玻璃，包層的材料是低折射率的有機光學(xué)材料，如硅橡膠，氟塑料和含氟丙烯酸樹脂等， 根據(jù)不同的用途、環(huán)境和使用領(lǐng)域，在光纖外部必須要增加相應(yīng)的保護涂層材料，如丙烯酸 樹脂，尼龍，聚酰亞胺等。石英光纖的傳光光譜范圍非常寬廣，從紫外區(qū)一直可以到近紅外 區(qū)，一般為190nm2600nm，石英光纖不僅傳光光譜范圍廣，

6、而且是目前已知的除光子晶 體光纖外，人類可以做到光損耗最小的光纖，因此，石英光纖不僅在通信領(lǐng)域上有著廣泛的 用途，而且在傳感、傳能量、非線性效應(yīng)、光信號處理等非通信領(lǐng)域也有著廣泛的用途。石 英光纖的傳光光譜范圍主要由芯層的石英材質(zhì)決定，石英的材質(zhì)按羥基（一OH）的含量， 大致可分為低羥基和高羥基石英光纖，高羥基石英光纖的最有效傳光范圍為300nm1100nm。低羥基石英光纖的最有效傳光范圍為400nm2100nm。但是，由于石英材料抗剪力非常差，易脆易斷，所以這種雙包層的石英光纖在拉絲時必 須用涂覆或其他工藝在光纖表面涂有保護性的涂層材料，甚至多層保護材料，才能達到不同 目的的正常使用。所以涂

7、層材料的選擇也相當(dāng)重要，下面介紹幾種涂層材料：三、涂層材料對石英光纖的影響1、石英光纖光學(xué)涂層材料的種類和性能石英光纖的光學(xué)涂層材料主要有硅橡膠、硬樹脂(Hard polymer cladding material)、氟塑料 三種材料。硅橡膠的涂層材料可做成熱固化和紫外固化兩種形式，熱固化的涂層材料應(yīng)用的較多，其主 要技術(shù)指標(biāo)見表1，這種材料一般為兩種組份，分開包裝，使用時將兩個組份按比例混合均 勻后，在真空下將氣泡從膠液中除去。根據(jù)拉絲狀態(tài)和固化爐的溫度來調(diào)節(jié)固化速度，一般 固化溫度為400C500C，固化時間為13秒，表1：熱固化硅橡膠光纖涂料的主要技術(shù)指標(biāo)性能 指標(biāo)外觀無色或微黃色透明液

8、體混合前兩組份膠料粘度(25C，mpa.s) 30006000操作時間(h/25C) 10抗拉強度(MPa) 4.4伸長率(%) 60邵氏A硬度45折光率(25C)1.4001.410硬樹脂光學(xué)涂料是一種含氟丙烯酸樹脂(fluoroacrylate)，含氟丙烯酸酯涂料既保留丙烯酸酯 涂料良好的耐堿性、保色保光性、涂膜豐滿等特點，又具有有機氟樹脂耐候、耐污染、耐腐 蝕及自潔性能，是一種綜合性能優(yōu)良的涂料，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2,含氟丙烯酸樹脂光纖 涂料也可以做成熱固化和紫外固化兩種形式，但現(xiàn)在市場大都做成紫外固化的。表2：含氟丙烯酸樹脂光纖涂料的主要技術(shù)指標(biāo)性能 指標(biāo)外 觀 無色透明液體密度(g/

9、ml，25 C)1.151.20折光率(25 C)1.37 1.42沸點(C) 80120均聚物，Tg(C) 7090純度99.9%氟塑料光學(xué)涂層材料是一種聚偏氟乙烯(PVDF)材料，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3,這種材料 一般是粉末狀，按一定的比例和甲基乙基丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等有機溶劑充 分溶解后，在拉絲時，涂覆在石英光纖上，經(jīng)過固化、燒結(jié)成膜。這種材料是制造測發(fā)光光 纖的理想材料，控制成膜后的結(jié)晶度的大小就能控制光線從側(cè)面發(fā)光的強度，當(dāng)然，如果要 做成端面發(fā)光的光纖，就必須要求在燒結(jié)成膜后結(jié)晶度非常低，不然光線將從側(cè)面透出，影 響端面的發(fā)光強度。表3：氟塑料光纖涂層材料的主要技術(shù)指標(biāo)

10、性能 指標(biāo)外觀白色粉末融化指數(shù)(g/10min) 3.08.0抗拉強度(MPa) 50伸長率(%) 400折光率(25 C)1.40 1.422、幾種材料包層的石英光纖的性能和用途石英玻璃包層的石英光纖成本最高，含氟丙烯酸樹脂包層的石英光纖價格相對較低些， 硅橡膠和氟塑料的光學(xué)包層的石英光纖價格相對便宜些。石英玻璃包層的石英光纖用途最 廣，從紫外光到近紅外光，雙包層的石英光纖都有很高的透過率，被廣泛用于長距離的通信、 傳感、紫外光特別是大功率紫外光、激光特別是大功率的紅外激光傳輸上，而硬樹脂包層的 石英光纖主要應(yīng)用于短距離的光通信、傳感、醫(yī)用紅外激光傳輸?shù)?，硅橡膠包層光纖主要用 于傳感、小功率

11、的半導(dǎo)體激光、小功率的醫(yī)用理療激光的傳輸，氟塑料包層的石英光纖主要 用于傳感、小功率的紫外光的傳輸，特別是用于紫外彌散照射，效果很好。石英、硬樹脂、 硅橡膠、氟塑料光學(xué)包層的石英光纖的性能和用途見表4。表4：石英、硬樹脂、硅橡膠、氟塑料光學(xué)包層的石英光纖的性能和用途性能和用途指標(biāo)石英包層光纖硬樹脂包層光纖硅橡膠包層光纖 氟塑料包層光纖數(shù)值孔徑0.060.300.37 0.480.370.400.330.40衰減(850/1350nm,dB/Km) M3.2/1.07.08.01007060使用溫度(C)-1001000-5085-50100-50250用 途 光通信、傳感、大功率激光、大功率紫

12、外光短距離光通信、傳感、醫(yī)用紅外激光 傳感、半導(dǎo)體激光、小功率的醫(yī)用理療激光 傳感、小功率的紫外光，紫外彌散照射(Kilo-pound per square inch)，避免低強度點的存在。3、石英光纖保護涂層材料的種類和性能石英光纖的保護涂層涂料主要有丙烯酸樹脂(acrylate)、聚酰亞胺(polyimide)和各種金屬膜，選用光纖保護涂料主要依據(jù)光纖的用途、材料的機械性能、耐溫性能的高低來確定。因 為性能優(yōu)異，可以實現(xiàn)快速拉絲，丙烯酸樹脂是現(xiàn)在最常用的涂層材料，無論是用于通信還 是非通信的石英光纖在拉制光纖時，通常采用紫外固化的丙烯酸樹脂涂料。丙烯酸涂料一般 分為內(nèi)層和外層兩種類型，內(nèi)外

13、層涂料的抗張模量、抗拉強度、摩擦系數(shù)不同，以保護裸光 纖、提高光纖抵抗外力的作用，使光纖在預(yù)計的使用壽命中能穩(wěn)定工作。丙烯酸涂料從耐溫 性可分為普通型和耐高溫型，丙烯酸涂料和丙烯酸涂層的石英光纖主要技術(shù)指標(biāo)見表5。表5：丙烯酸涂料和丙烯酸涂層的石英光纖主要技術(shù)指標(biāo)性能 指標(biāo)內(nèi)層丙烯酸涂料 外層丙烯酸涂料固化前(25 C) 密度(g/cm3) 1.0 1.2 1.0 1.2粘度(mp.s) 50006500 40005000固化時間(秒)13 13固化后(25 C)抗張模量(Mpa) 1.8 650抗拉強度(Mpa) 34 2030伸長率() 120150 1020摩擦系數(shù) 100150 0.2

14、0.6折光率 1.51.55 1.51.55玻璃化溫度（C） -30-35 3035聚酰亞胺（polyimide，簡稱PI）是在分子主鏈中含有酰亞胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)鏈高聚物，現(xiàn)在聚 酰亞胺已成為較為常見的商業(yè)化耐高溫高聚物之一。聚酰亞胺具有優(yōu)良的綜合性能，它能在 -200C300C之間維持優(yōu)良的力學(xué)性能和電絕緣性，可在這個溫度范圍內(nèi)長期使用，具有 突出的耐溫性和熱氧化穩(wěn)定性、耐輻射、耐溶劑、低密度以及優(yōu)異的力學(xué)性能和電性能，是 耐高溫膠粘劑的佼佼者，因此，聚酰亞胺涂層的石英光纖廣泛應(yīng)于惡劣環(huán)境中，如高溫環(huán)境、 化學(xué)腐蝕和輻射環(huán)境中。聚酰亞胺涂層的石英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)見表6。表6：聚酰亞胺涂層的石

15、英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)性能指標(biāo)外觀琥珀色涂層厚度（微米）10200衰減（850/1350nm,dB/Km） 100使用溫度（C）長期：-200C300C，短期：400C金屬涂層光纖（Metal Coated Fiber）是在光纖的表面涂上Cu、A1、Tin等金屬層的光纖。它 是應(yīng)用于苛刻的外界環(huán)境的超長壽命光纖之一，也可作為電子電路的部件用。光纖適合于溫 度范圍從-270C至700C，濕度可高達100%。在高溫，真空和苛刻環(huán)境條件下，密封金屬 涂層光纖是最好選擇。各種金屬涂層的石英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)見表7。表7：各種金屬涂層的石英光纖的主要技術(shù)指標(biāo)性能 指標(biāo)A1CuTin涂層厚度（微米）15 1

16、5015501550篩選強度（Kpsi）100100100抗拉強度（GPa）3.5 62.0 3.06.0 9.0使用溫度(C) -270C400 C，-270C700C-270C230C通光芯徑（微米）50600四、總結(jié)通過上述我們可知光纖涂料的重要性，不同的涂料有不同的特性。跟據(jù)有途的不同而 需用不同的涂料。在這個信息時代，我們似乎已經(jīng)離不開信息的快速傳遞。光纖通信作為通 信中的重要途徑它以自身的各種優(yōu)勢引領(lǐng)著信息時代前進的步伐。光纖通信是利用光導(dǎo)纖維 來傳輸光波信號的，目前主要采用石英材料制成的光纖。要讓石英光纖適應(yīng)各種需求就成了 關(guān)鍵。使用涂料可以滿足一些需求。所以發(fā)展光纖涂料重要的。國外發(fā)達的國家里，光纖用 各種涂料已相當(dāng)普遍，無論是紫外固化的丙烯酸涂料，還是耐高溫的聚酰亞胺涂料和金屬涂 層都已廣泛應(yīng)用于石英光纖的生產(chǎn)上，使得石英光纖呈現(xiàn)出