[发明专利]一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统

说明书

本发明公开了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，该表面改性金属涂层光纤由内到外依次包括裸光纤、中间改性层和金属涂层，其中，所述裸光纤包括纤芯和光纤包层且均具有光波导功能，所述中间改性层为硅溶胶颗粒形成的涂层，所述硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。本发明通过在裸光纤与金属涂层之间引入硅溶胶颗粒，使金属熔融液能够更好地附着于裸光纤外表面；同时，所形成的中间改性层具有较疏松的结构，可以有效缓冲由于金属涂层与裸光纤热膨胀系数不匹配而产生的压应力，从而达到减少金属涂层光纤传输损耗的效果。

技术领域

本发明涉及光纤制备领域，特别是一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统。

背景技术

目前，石英光纤主要应用于信息、传感技术以及激光传能等领域，是一种传输光信号的介质，其主要结构为内外两层圆柱状介质，也即纤芯层、外包层。

光纤裸表面具有较高的表面自由能，会自发的吸附环境中的水分子、O₂等物质以降低表面能，水分子会与裸纤表面的[-Si-O-Si-]键发生水解反应形成[SiO^-]和[-SiO-OH]等断裂键，进而破坏光纤玻璃的近程有序结构，并逐渐在光纤表面形成大量微小裂纹。在光纤的制备过程中，裸纤表面不可避免的会产生微裂纹，在这些缺陷处吸附现象、水解反应更为明显，从而降低光纤的强度。因此在光纤的制备过程中会在裸纤表面涂覆一层涂覆剂形成涂覆层。涂覆层可以隔绝外界介质与裸纤的接触，防止裸纤的磨损、腐蚀和意外断裂，以提高光纤的强度。

涂覆剂一般为陶瓷材料或丙烯酸树脂，但陶瓷材料需要昂贵的设备、且本身与光纤玻璃一样具有脆性；而丙烯酸树脂只能在-60℃～85℃的范围内使用、且在有O₂存在的环境下易老化。相较之下金属涂层光纤具有着突出的优势：金属涂层的耐腐蚀性、耐应力性最佳；具有很好的低温性，可在-269℃下连续使用；可以隔绝水、氢气对光纤内部的侵蚀；可以用金属焊接法熔接光纤等。

光纤的使用环境要求其具有较高的应用稳定性、较长的使用寿命，而裸纤主要为纯度较高的SiO₂玻璃，因此一般从涂覆层着手提高光纤的性质。虽然金属涂层光纤有着诸多优点，但是金属熔融液与裸纤的润湿性较差，拉出涂层的厚度、均匀度难以控制；其次，金属的热膨胀系数与玻璃的热膨胀系数相差较大，金属涂层冷却收缩形成较大压应力导致光纤的传输损耗显著增加。因此，为克服金属涂层的缺点，有必要对金属涂层光纤的制备工艺进行改善，来提高金属涂层光纤的应用稳定性，延长光纤的使用寿命以及改善光纤的光学性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种表面改性金属涂层光纤及其制备方法和制备系统，用于解决现有技术中金属涂层与裸光纤的润湿性较差，且金属涂层和裸光纤会因热膨胀系数不匹配而产生传输损耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种表面改性金属涂层光纤，由内到外依次包括裸光纤、中间改性层和金属涂层，其中，裸光纤包括纤芯和光纤包层且均具有光波导功能，中间改性层为硅溶胶颗粒形成的涂层，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm。

其中，裸光纤的直径为100～150μm，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，金属涂层的厚度为2～10μm。

为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中表面改性金属涂层光纤的制备方法，其步骤包括：将光纤预制棒加热至1900～2000℃，拉制成裸光纤；将硅溶胶颗粒均匀涂覆至裸光纤表面，于420℃下固化形成中间改性层；金属铝于700℃下熔化成铝熔融液，将铝熔融液均匀涂覆至中间改性层表面，固化后形成金属涂层；收卷并完成表面改性金属涂层光纤的制备。

其中，裸光纤包括纤芯和光纤包层，光纤包层包覆于纤芯外侧，且位于纤芯与中间改性层之间，用于保护纤芯。

其中，裸光纤的直径为100～150μm，硅溶胶颗粒的粒径为80～120nm，金属涂层的厚度为2～10μm。