耐高温光纤 - 聚酰亚胺涂覆、金属涂覆

 

本文转载“光电读书”

 

耐高温光纤（Heat-Resistant Optical Fiber）

 

NO.1 光纤的温度限制

 

众所周知，通常意义上的光纤由纤芯、包层和涂敷层构成。其中纤芯、包层决定了其光学特性，一般是用熔融石英在2000℃的环境下拉制，高温性能自然不用多言。在石英玻璃拉制过程中，其表面不可避免地会留下细微裂纹，在使用中受各种环境应力的影响，裂纹可能会迅速扩大甚至断裂，所以在拉制出裸纤的第一时间就帮它穿上一层护套——涂敷层，以大大改善其机械特性，使其更抗弯更抗拉。

 

涂敷材料主要以有机硅或丙烯酸树脂为主，使用热固化或UV固化等工艺将其附着到裸纤上。但无论是有机硅树脂还是丙烯酸树脂，使用环境都低于180℃，超过这个温度这些材料就会分解失效。在石油化工/航空航天/激光加工等特种行业均对光纤的高温特性提出了更高的要求，所以能突破涂敷层的温度限制，就能大大扩展光纤的应用场景。

 

耐高温光纤的重要意义在于其能够在极端高温环境下保持稳定的传输性能，解决了常规光纤在高温条件下易失效的问题。这种光纤的出现极大地拓宽了光纤通信的应用领域，特别是在那些需要长时间在高温环境中工作的场景，如石化、电力、冶金、汽车、航空航天等行业。

 

据了解国内、外，耐高温光纤的应用场景非常广泛。在石油、天然气开采中，油井测温光缆需要能够承受地下高温高压的环境，这时就需要使用耐高温光纤。在火力发电中，锅炉温度和压力的实时监测也需要耐高温光纤的稳定传输。此外，在汽车工业中，耐高温光纤被用于车载通讯和娱乐系统，确保在高温的发动机和排气系统环境下信息的稳定传输。在航空航天领域，对通信设备的耐高温性能要求极高，耐高温光纤的应用能够提升通信设备在高温环境下的可靠性和稳定性。

 

 

NO.2 高温光纤 - 聚酰亚胺

 

聚酰亚胺（Polyimide，PI），其-190 ℃ ~ +385 ℃ 优异的温度范围，自1961年杜邦公司首次商品化以来，已经渗透到了我们生活的方方面面。例如电子产品里常使用的柔性电路板（FPC），由于要参与280℃的无铅焊接，其基底就是使用聚酰亚胺制造；此外还被拉成丝纺成线制成织物，在消防员、航天员、赛车手的身上都有它的身影。

 

 

聚酰亚胺实现耐高温性能的关键在于其独特的分子结构。聚酰亚胺分子中包含多个苯环和共轭键，使其分子结构相对刚性。同时，分子中的酰基团与氮原子之间的共价键非常强，这种结构使得聚酰亚胺具有出色的热稳定性。

 

聚酰亚胺的热分解温度很高，一些特定类型的聚酰亚胺，如聚苯并三嗪二甲酰亚胺（BPDA-PDA），其热分解温度甚至可达到600℃以上。这种高热稳定性使得聚酰亚胺成为制造耐高温光纤的理想涂层材料，将光纤的应用温度范围大大提高。用这样材料制成的光纤常常也被称之为PI光纤。

 

PI光纤量产并非容事，首先光纤涂敷一般需要内外两个涂层，内涂层低模量，用于缓冲；外涂层高模量，用于保护。而聚酰亚胺似乎不具有这样的特性。常见的做法要么牺牲其机械性能只使用聚酰亚胺做单涂层；要么内涂层还是用传统丙烯酸树脂，外涂层再用聚酰亚胺，这样来抵御瞬时的高低温。其次，聚酰亚胺的固化工艺也不是太成熟，无法像传统涂料一样均匀牢固的附着。所以国际上仅有几家产商可以提供聚酰亚胺，并且价格一般都高达￥50~100/米。

 

将聚酰亚胺镀在光纤外表面的过程通常涉及涂覆技术。一种常见的方法是使用浸涂法。在这个过程中，光纤的裸纤区域被缓慢浸入聚酰亚胺溶液中，确保光纤与溶液充分接触。然后，光纤以一定的速度从溶液中拉出，以控制涂层的厚度。涂覆后的光纤需要在较低的环境温度下固化，以挥发溶剂，避免在后续加热过程中产生气泡。最后，光纤会被放入高温箱中进行加热，使聚酰亚胺涂层更紧密地附着在光纤表面。

 

在使用聚酰亚胺涂层的耐高温光纤时，需要注意以下几点：

 

n 光纤的使用温度应在聚酰亚胺涂层的热分解温度以下，以确保涂层能够保持其稳定性和性能。

n 避免光纤在强烈机械应力或化学腐蚀环境下使用，以免对聚酰亚胺涂层造成损害。

n 在安装和使用过程中，应小心操作，避免光纤弯曲半径过小，以免对涂层造成机械损伤。

n 对于特殊应用，可能需要根据具体需求选择合适的聚酰亚胺类型和涂覆工艺，以优化光纤的性能和寿命。

 

 

 

 

NO.3 更高的温度 - 金属涂层

 

理论上385 ℃是聚酰亚胺的温度上限，面对更高的温度还是望尘莫及。

 

耐高温的金属涂层光纤，通过在裸光纤表面涂覆一层耐高温金属材料，如铝、铜或金，以提高光纤在高温环境下的工作性能。这种光纤在极端温度条件下表现出色，并具有出色的抗化学腐蚀和抗机械弯曲能力。

 

关于制造过程，金属涂覆光纤的工艺相对复杂。1）光纤预制棒在高温石墨炉中融化并被拉丝成裸光纤。2）通过特定的涂覆工艺，将耐高温金属材料紧覆在裸光纤上。这主要涉及到化学镀、电镀法、熔融涂覆法与材料溅射薄膜法等制作方法。

 

需要注意的是，这些方法的效率和涂层薄膜的均匀度各有差异。例如，虽然化学法和电镀法工艺简单、成本低，但难以保证涂层薄膜的均匀度，可能会影响光纤的性能。而熔融涂覆法与材料溅射薄膜法则可以实现更均匀的涂层，但生产效率相对较低。成本非常高昂，一般都是按毫米计价，堪称光纤中的钻石王老五，所以往往只会在需要的地方用一小段。

 

在使用方面，耐高温金属涂层光纤广泛应用于需要承受高温和腐蚀环境的领域。例如，在核辐射、高能强激光传输、焊接纤维束以及医疗应用中，金属涂层光纤都发挥着重要作用。此外，在高温传感光纤领域，它可以作为涡轮传感光纤、油气井用光纤、发动机传感光纤等，以承受高温环境下的工作需求。金属光纤常常也用来做气密光纤。

 

至于涂层的选择，主要有铝、铜和金等金属材料。铝涂层可以将光纤的使用温度扩展到-269℃~+400℃，铜涂层可以将温度范围扩展到-269℃~+600℃，而金涂层则可以实现更宽的温度范围，从-269℃至+700℃。这些金属涂层不仅提高了光纤的耐高温性能，还增强了其抗腐蚀和机械性能。

 

 

NO.4 未来发展

 

对于未来耐高温光纤的解决方案和发展方向，可以从以下几个方面进行探讨：

n 材料研发：进一步研发新的耐高温材料，提高光纤的耐高温性能，以满足更高温度环境下的应用需求。例如，可以探索具有更高热稳定性的高分子材料，或者研发新型的金属或陶瓷涂层材料。

n 制造工艺：优化光纤的制造工艺，提高生产效率和产品质量。例如，可以采用更精确的涂覆技术，确保涂层均匀且厚度适中，从而提高光纤的耐高温性能和机械强度。

n 智能化与集成化：随着物联网和智能制造的发展，耐高温光纤可以向智能化和集成化方向发展。例如，可以开发具有自监测、自修复功能的光纤，或者将光纤与其他传感器和执行器集成在一起，形成多功能的光纤网络系统。

n 环保与可持续性：在耐高温光纤的研发和生产过程中，需要注重环保和可持续性。例如，可以采用环保的材料和制造工艺，减少生产过程中的废弃物和污染物排放。

 

总的来说，耐高温光纤在多个领域都具有广泛的应用前景，随着技术的不断进步和市场的需求变化，未来耐高温光纤将会有更多的解决方案和发展方向。