耐高温光纤的制造及性能研究 摘要： 耐高温光纤可以在高温等恶劣环境中保持良好的光学稳定性和机械可靠性。光纤本身的材质为二氧化硅，能够耐受高温，因而耐高温光纤的耐温性能取决于其涂层材料。本文介绍了4种耐高温涂料及其对应的耐高温光纤，研究了耐高温光纤的高温老化性能、温度循环性能和耐湿性能，发现4种耐高温光纤可以在-60～+150℃下长期使用，涂层无变质脱落，光纤的衰减对温度变化不敏感，光纤经过高温老化后仍然能够保持较高的强度。 关键词：光纤；耐高温；涂料；性能 1 引言 广泛应用于现代通信技术的光纤由于体积小、重量轻及抗电磁干扰等优点，一直备受关注。随着光纤应用领域的开发，对光纤的要求也越来越高。近年来，光纤已被广泛应用于恶劣环境中，例如油气管道及油井、高温医疗、电力、能源和航空航天等。光纤一般是通过预制棒高温熔融后以一定的速度牵引得到的石英裸光纤，并立即涂覆有保护性的聚合物。石英的熔点大约为1700℃，其软化温度约在1400～1500℃，具有良好的高温性能，因而耐高温光纤的耐温范围主要取决于其涂层材料。而传统光纤的保护性涂层为 丙烯酸酯聚合物 ，其工作温度范围为 -60～+85℃ 。当在温度高于85℃长时间使用时，丙烯酸酯涂层会发生热降解而老化，特别是存在氧气的情况下，涂层发黄发黑，随着时间的推移失去其保护作用。为了在高温下成功使用光纤，需要解决光纤涂层的耐热问题，同时需要解决光纤的传输性能和可靠性问题。 2耐高温光纤 2.1耐高温涂层材料 由于石英本身能够耐受的温度比较高，耐高温光纤的关键在于涂层材料的选用。本文研究了4种组合耐高温图层材料（第一涂层与第二涂层为不同涂层材料）用于耐高温光纤的制备，耐高温组合涂层材料的性能见表1。 2.2耐高温光纤样品 本文通过上面4种组合涂层材料分别制得了4种耐高温单模光纤，所用预制棒为同一根棒，光纤包层直径为125μm±1μm，使用HTC1涂层材料组合拉制的光纤为F1，使用HTC2涂层材料组合拉制的光纤为F2，使用HTC3涂层材料组合拉制的光纤为F3，F4内外涂层材料均为HTC4。为了进行比较，使用普通的丙烯酸酯涂料制备出的光纤为P1，4种耐高温光纤的涂层外径（典型值）见表2。 2.3耐高温光纤耐温试验 根据2.2制备出5种光纤，从中分别取2.1km试样，绕成直径300mm的圈，放入烘箱中（光纤的耐高温试验如图1所示）。先测试常温状态下的衰减系数，然后升温至150℃保持，其间每天定时测试5种光纤的衰减系数，计算其与常温下的差值，即为附加衰减。 3性能试验 3.1耐高温光纤常温下的性能 对于耐高温光纤，其传输性能和机械性能是比较重要的。首先确定了拉制出的光纤的衰减系数、涂覆层剥离力（平均值）、抗拉强度（Weibull概率水平50%）和动态疲劳参数的典型值，耐高温单模光纤的光学性能和机械性能（典型值）见表3。从表3中的数据可以看出，光纤的衰减之间并没有显著的差异，其中F4在1550nm窗口处的衰减相对较高，是由于其使用的单涂层，涂层模量较高。很显然， 第一涂层的模量与光纤1550nm处的衰减呈现相关性 ，第一涂层模量越小，光纤1550nm处的衰减越小。同时，试验发现耐高温光纤的抗拉强度与光纤涂层的模量无相关性影响。 3.2耐高温光纤的高温性能 耐高温光纤相比于普通的通信光纤因具有较好的耐高温性能而能够在高温环境中使用。光纤在高温恶劣环境中使用，需要长时间内保持光学性能和机械强度，因而设计5种光纤在150℃下的老化试验，试验中的光纤处于零张力状态，耐高温光纤在高温下1550nm波长处附加衰减情况如图2所示。从图2中可以看出，普通丙烯酸酯涂层的光纤P1在150℃下1550nm波长处的附加衰减不高于0.02dB/km，满足高温老化条件下的传输损耗使用要求，但是高温老化后的光纤涂层发黑。对高温老化后的光纤进行抗拉强度（Weibull概率水平50%）测试，高温老化前后光纤断裂抗拉强度分布如图3所示。P1高温老化后的光纤强度低于400Kpsi，这也是之前提到的在温度高于85℃长时间使用时，丙烯酸酯涂层会发生热降解而老化，随着时间的推移失去其保护作用。而其他4种耐高温光纤在150℃下老化后，光纤在1550nm波长处的附加衰减低于0.02dB/km，恢复常温后测试其抗拉强度高于600Kpsi，见图3，除了F2抗拉强度略有下降，F1、F3和F4抗拉强度均有提升，说明高温老化后的涂层材料仍然具有保护作用，不影响其继续使用。图3中光纤编号后的H表示高温老化之后的抗拉强度。 3.3耐高温光纤的温度循环性能 耐高温光纤的使用并不是一次性的，往往需要反复使用，这就需要确定光纤经受温度变化的衰减稳定性。耐高温光纤在10次温度循环试验中1550nm波长处的附加衰减如图4所示。从常温开始，先降温至-60℃,保持一段时间后测试其衰减变化，再升温至150℃,保持一段时间后测试其衰减变化，如此循环10次。从图4中可以发现，在高温150℃下，4种耐高温光纤在1550nm波长处的附加衰减均不高于0.015dB/km；在低温-60℃下，4种耐高温光纤在1550nm波长处的衰减基本无变化，也就是说，耐高温光纤对低温不敏感。很明显，4种耐高温光纤可以在-60～150℃下长期使用。 3.4耐高温光纤的耐湿性能 目前市场上对耐高温光纤提出了耐湿性能的要求，耐温试验控制如图5所示。光纤按照图5所示的路线进行试验，即松绕的光纤（圈径为300mm）先在50℃下预处理24h，然后经过测试后，按照图5的循环方式试验10次，每个循环结束后记录光纤的衰减情况，试验结束后检查光纤外观。本文对4种耐高温光纤F1～F4进行了耐湿试验，耐高温光纤在耐湿试验中1550nm波长处的衰减变化情况如图6所示。10次循环试验中，F1和F3在1550nm波长处的附加衰减不高于0.003dB/km，F2和F4在1550nm波长处的附加衰减不高于0.005dB/km，这表明4种耐高温光纤均具有优异的耐湿性能。同时，通过光学显微镜对耐湿试验后的光纤外径进行检查，以F1光纤为例，耐湿试验F1光纤的外观如图7所示。从图7中可以看出，试验前后的光纤涂层光滑，无收缩或隆起，也无脱落现象，也证明了耐高温光纤具有优异的耐湿性能。耐湿后的F1光纤测试其强度689Kpsi，其剥离力平均值1.8N，也很好地证明了耐湿试验前后光纤具有可靠的机械性能。 4结论 随着5G时代来临，物联网普及，特种光纤的应用越来越广阔，作为油井、引擎等高温恶劣环境中使用的耐高温光纤备受关注。本文采用4种不同的涂层材料组合，制备出了4种耐高温光纤，并试验了耐高温光纤的高温性能、温度循环性能和耐湿性能。试验条件下，4种光纤在1550nm波长处的附加衰减均不高于0.02dB/km，显示出光纤具有优异的传输性能；高温老化后，耐高温光纤的抗拉强度有所提升，均高于600Kpsi，说明耐高温光纤具有优异的机械可靠性。耐湿试验证明耐高温光纤可以在高湿环境中使用，满足市场上对耐高温光纤性能要求。综上，4种耐高温光纤均可以在-60～150℃下长期使用。 来源：中国通信学会 2024 年通信线路学术年会论文集
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