光纖耐高溫難題 國內(nèi)外展開研發(fā)
隨著光纖應用環(huán)境的擴展，普通光纖已經(jīng)無法適應特殊環(huán)境的使用條件。尤其是在高溫工作環(huán)境下，普通紫外固化涂層極易發(fā)生熱老化和熱氧老化，降低涂層對光纖的保護作用，并最終可能導致光纖失效。對了應對這一情況，國內(nèi)外光纖廠商展開了針對耐高溫進行研發(fā)。
目前，國際主流的耐高溫光纖主要有：耐高溫丙烯酸樹脂涂層光纖、有機硅膠涂層光纖、聚酰亞胺涂層光纖以及金屬涂覆光纖四種。憑借在制造工藝和性能上的不同特點，這幾款耐高溫光纖已經(jīng)在油氣井探測、航天、光纖傳能等高端領域?qū)崿F(xiàn)了部署，開拓了光纖應用的新市場。
耐高溫丙烯酸樹脂涂層光纖
耐高溫丙烯酸樹脂涂層光纖擁有優(yōu)異的性能，可在85℃-150℃環(huán)境下長期穩(wěn)定使用，同時其涂層可直接使用剝線鉗進行涂層剝離。
一般情況下，耐高溫丙烯酸樹脂涂層采用光固化耐高溫丙烯酸樹脂進行雙層涂覆。而江蘇亨通光纖公司則選用一種新型的光固化耐高溫丙烯酸樹脂，對模具進行改進，采用單層涂覆工藝可使涂覆光纖外徑達到200μm。與雙層涂覆技術相比，單層涂覆耐高溫光纖不僅涂覆工藝簡化，擁有更高的生產(chǎn)效率，拉絲速度更高;同時其單層涂覆，不存在內(nèi)外涂層的差異，因此其在高溫下涂層失重率更小，擁有更加穩(wěn)定的性能;另外其外涂直徑為200μm，體積較小，可以用于小型器件的生產(chǎn)，擁有一定的市場前景。
從高層丙烯酸樹脂涂層光纖的生產(chǎn)工藝上看，首先光纖預制棒在溫度為1700℃-2200℃的高溫石墨爐中融化并被拉絲成直徑為125μm的裸光纖。裸光纖經(jīng)過強制冷卻后進入涂覆模具，之后通過紫外固化爐，使其快速固化變成外直徑為245μm的成品光纖，最后使用收線裝置將光纖繞盤。
有機硅膠涂層光纖
目前，200℃溫度段的耐高溫光纖主要是有機硅膠涂層光纖。能夠在200℃的環(huán)境下長期使用，且衰減附加值以及涂層失重率均較低。不過，有機硅膠涂層光纖的生產(chǎn)成本較高，效率較低，還需要后期涂層熱處理。
從制作工藝上看，其首先采用有機硅膠雙層涂覆技術使光纖直徑達245μm，之后在硅膠涂層外緊包一層聚四氟乙烯套，外徑為700-900μm。硅膠涂覆的固化工藝主要有熱固化和UV固化(UVS)兩種方式。其中UV固化的工藝生產(chǎn)效率更高，工藝連接性較強。
有機硅膠涂層光纖的工藝與耐高溫丙烯酸樹脂光纖工藝類似，不同之處是使用了Wet-Dry涂覆方式：首先使用石墨拉絲爐將光棒加熱熔融，進行抽絲，并使用UV固化。光纖收線完成后，還需要將其放入120℃的恒溫加熱箱中處理30分鐘，隨后利用緊套設備，在光纖外層再包覆一層聚四氟乙烯衣層。
聚酰亞胺涂層光纖
有機硅膠與耐高溫丙烯酸樹脂涂層的最高使用溫度為200℃，而聚酰亞胺涂層光纖是一種能夠在更高溫度下工作的光纖。理論上，其300℃的環(huán)境下長期使用，在350℃-400℃可短期使用，同時在高壓或真空的環(huán)境也能保持良好的性能，并擁有生物友好型，因此聚酰亞胺涂層光纖廣泛用于航空、航天領域以及生物醫(yī)藥領域。
在現(xiàn)有的有機材料中，聚酰亞胺(PI)是一種綜合性能極佳的高分子材料，其具備耐熱性能好、耐低溫性能佳、熱膨脹系數(shù)較低、優(yōu)異的機械性能以及生物友好性等特點。聚酰亞胺涂層光纖的生產(chǎn)工藝也相對復雜：使用石墨拉絲爐將光纖預制棒加熱至1700℃-2100℃，抽絲速度為2m/min-20m/min，裸光纖經(jīng)過直徑監(jiān)測儀后，進入內(nèi)置了儲料瓶和帶有橡膠尖嘴的涂覆杯的預涂覆裝置，在預涂覆和預固化后還需進行二次涂覆，從而保證將光纖涂覆至要求的外徑。
與前兩種耐高溫光纖相比，由于涂層固化過程時間較長，因此聚酰亞胺涂層光纖的生產(chǎn)效率較低，拉絲速度約為10-20m/min。同時，由于模量較高，其也不能使用剝線鉗施加外力進行涂層剝離，而應該采用火焰燒蝕、烤箱或馬弗爐加熱、等離子電弧燒蝕、CO2激光器加熱燒蝕等方法。
金屬涂層光纖
在大于400℃的空氣環(huán)境的環(huán)境下，有機材料涂層會快速熱氧老化，喪失保護光纖的作用，導致光纖失效。因此，只有金屬涂覆光纖，才能正常使用。
金屬涂層光纖將耐高溫金屬材料緊覆在裸光纖上，主要有化學鍍、電鍍法、熔融涂覆法與材料濺射薄膜法等制作方法。其中化學法與電鍍法雖然工藝簡單、容易操作、成本低;但是鍍出的光纖衣層薄膜均勻度差，難以滿足高靈敏度傳感器的需求。
與前三種高溫光纖的涂覆工藝相比，金屬涂覆光纖的優(yōu)勢在于：金屬衣層的熱膨脹系數(shù)低，基本與光纖處于同一數(shù)量級;金屬衣層的抗腐蝕、耐應力性能最佳;耐低溫性能最佳，可在-269℃連續(xù)工作;衣層與光纖包層結(jié)合緊密，機械強度高;耐疲勞、抗水、抗氫性能好;可用金屬焊接。
不過，金屬涂覆的工藝最為復雜，需要精確濺射爐功率、反應物質(zhì)流量，光纖收放速度，才能保證在裸光纖表面濺射均勻的衣層。同時生產(chǎn)效率極低，連續(xù)生產(chǎn)長度僅為1km左右。此外，由于金屬涂層同樣無法使用剝線鉗進行涂層剝離，因此采用加熱硫酸溶解方式或王水進行溶解剝除。
隨著光纖應用領域的擴大，市場對特種光纖的需求持續(xù)增加，目前在售的幾類耐高溫光纖可以滿足市場的部分需求，但都不同程度的存在局限性，這還需要廣大光纖工藝工作者從生產(chǎn)工藝源頭著手，改進工藝，制作出性能更佳的耐高溫光纖。
