在長途光纜通信系統(tǒng)中,光纖傳輸特性應(yīng)是長期穩(wěn)定的,尤其是長途干線直埋光纜和海底光纜系統(tǒng),對光纜的長壽命提出了更高的要求。一般對陸地光纜的使用壽命,希望有20年以上的安全使用期,而對海底光纜,則要求其使用壽命提高到25年以上,其故障間隔時間平均要求為10年。因此,如何延長光纜的使用壽命,怎樣正確的使用光纜,都是人們關(guān)心的重要技術(shù)課題,下面從光纜的結(jié)構(gòu)方面談?wù)勅绾窝娱L光纜的使用壽命。
影響光纜中光纖壽命的三大因素
光纖是光纜中最重要的組成材料之一,要提高光纜的使用壽命,最根本的是要提高光纖的使用壽命。影響光纖使用壽命的原因主要有:①光纖表面的微裂紋的存在和擴(kuò)大;②大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕;③不合理敷設(shè)光纜時殘留下來的應(yīng)力長期作用等。由于上述原因,使得以石英玻璃為基礎(chǔ)的光纖機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低,衰耗慢慢增大,最后使光纖斷裂,終止了光纜的使用壽命。
由于在纖維表面上總是會存在著微裂紋,在大氣環(huán)境中發(fā)生慢裂紋生長,使裂紋不斷地?cái)U(kuò)大,使光纖的機(jī)械強(qiáng)度逐漸退化。例如,一根125μm直徑的石英光纖,經(jīng)過3年的慢變化以后,使光纖的抗拉強(qiáng)度從180kpsi(相當(dāng)于1530g抗拉強(qiáng)度),降到了60kpsi(相當(dāng)于510g抗拉強(qiáng)度)。光纖這種慢變化而引起機(jī)械強(qiáng)度降低的原理是:當(dāng)光纖表面有微裂紋(或缺陷)時,在受到外來應(yīng)力的作用時,并不會立即斷裂,只有施加應(yīng)力達(dá)到裂紋的臨界值時,纖維才會斷裂。而石英纖維承受到一個小于臨界值的恒定應(yīng)力時,表面裂紋會發(fā)生緩慢的擴(kuò)大,使裂紋的深度達(dá)到斷裂的臨界值,這就是纖維機(jī)械強(qiáng)度退化的過程。石英光纖機(jī)械強(qiáng)度的退化是由于承受到的應(yīng)力與大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子浸蝕的聯(lián)合作用造成的。
延長光纖使用壽命的方法
當(dāng)纖維在真空環(huán)境中,由于沒有水分子存在,所以不會發(fā)生應(yīng)力浸蝕,其疲勞參數(shù)n為最大值,光纖也具有最高的強(qiáng)度,這時的強(qiáng)度就是纖維的惰性強(qiáng)度,稱之為Si。光纖在使用環(huán)境中所具有的使用壽命ts與它所承受的應(yīng)力σ和纖維的惰性強(qiáng)度Si之間有如下關(guān)系:lgts=-nlgσ+lgB+(n-2)lgSi上式中后面兩項(xiàng)皆為常數(shù),所以當(dāng)承受到的應(yīng)力σ恒定時,纖維的使用壽命ts只與纖維的疲勞參數(shù)n值有關(guān)。n值愈大,光纖的壽命ts也愈長。
因此,提高光纖的使用壽命有兩種方法:
第一,當(dāng)疲勞參數(shù)n一定時,纖維的壽命ts只與所承受到的應(yīng)力σ有關(guān),因此,減小纖維承受到的應(yīng)力是提高光纖使用壽命的一種方法。當(dāng)人們制造光纖時,在光纖表面上形成一種壓縮應(yīng)力以對抗所承受到的張應(yīng)力,使張應(yīng)力減到盡可能小的程度,由此就產(chǎn)生了壓應(yīng)力包層技術(shù)來制造光纖。
若設(shè)光纖承受到的應(yīng)力為σa,壽命為t1,當(dāng)光纖具有壓應(yīng)力σR包層時,光纖的壽命為t2:t2=t1[(σa-σR)/σa]-n其中,(σa-σR)為光纖真正承受到的凈應(yīng)力。由此表明:具有壓應(yīng)力包層的光纖比一般光纖的壽命長得多。近年來就有人用摻GeO2石英做光纖表面的壓縮層,也有人用摻TiO2石英做光纖的外包層使光纖本身的抗拉強(qiáng)度從50kpsi提高到130kpsi(相當(dāng)抗拉強(qiáng)度從430g提高到1100g),也使光纖的靜態(tài)疲勞參數(shù)從n=20~25提高到n=130。
第二,提高光纖的靜態(tài)疲勞參數(shù)n來提高光纖的使用壽命。因此,人們在制造光纖時,設(shè)法把石英纖維本身與大氣環(huán)境隔絕開來,使之不受大氣環(huán)境的影響,盡可能地把n值由環(huán)境材料參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w材料本身的參數(shù),就可以使n值變得很大,由此產(chǎn)生了在光纖表面的“密封被覆技術(shù)”。
近十年來,使用“密封被覆技術(shù)”來制造光纖取得了巨大進(jìn)展。被覆材料由金屬類擴(kuò)展到金屬氧化物、無機(jī)碳化物、無機(jī)氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉積無定型碳。被覆層結(jié)構(gòu)由單一的金屬被覆層發(fā)展到密封被覆層與有機(jī)被覆層相結(jié)合的復(fù)合被覆層結(jié)構(gòu),使光纖更具有實(shí)際應(yīng)用的價值,纖維的光學(xué)性能、機(jī)械性能和抗疲勞性能都有提高。
例如:①金屬被覆光纖:鋁被覆光纖可承受1Gpa(150kpsi)的應(yīng)力,浸沒在水中實(shí)驗(yàn),在350℃溫度下使用,壽命在10年以上。②金屬氧化物和其它無機(jī)物被覆的光纖:用C4H10與SiH4在纖維表面沉積成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆層,并涂上有機(jī)層,纖維的n值可達(dá)到256。③用氮化硼做密封被覆層的光纖:可承受200kpsi的拉力,n值可提高到100以上。又如用TIC密封被覆的光纖具有400~500kpsi的強(qiáng)度,可耐100℃的水。④無定形碳密封被覆光纖:在無機(jī)被覆材料中,無定形碳被覆層不僅對光纖的光學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度很少有損害作用,而且表現(xiàn)出良好的抗水性能及抗氫性能。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)走向工業(yè)化生產(chǎn)。這種纖維的典型抗拉強(qiáng)度已達(dá)到500~600kpsi,動態(tài)n值為350~1000。在室溫下25年后,碳密封被覆光纖中滲入的氫只有普通光纖的1/10000;在光纜中,此類纖維可容許的氫壓力比一般光纖高100倍。用此光纖可適當(dāng)?shù)亟档统衫|條件或在更高溫度條件下使用。
使用纖維表面生長“壓應(yīng)力包層”和“密封被覆技術(shù)”后,光纖的壽命可用下式推出:t2/t1=19.36×10IRσa7式中,σa是施加的應(yīng)力或使用應(yīng)力。由此可算出σa與t2/t1的關(guān)系。這類光纖的使用壽命可達(dá)40年,可望用于海底光纜和軍用通信。
另有一些研究還表明,制造光纖時寧可用鍺(GeO2)和氟(F)作摻雜劑,也不用磷(P2O5)作摻雜劑,因磷的“親水(H2O)”性好,使光纖易受潮濕,引起纖芯內(nèi)部P-OH鍵吸收衰耗增大,使光纖緩慢變化。所以長使用壽命的光纖杜絕用磷作摻雜材料。
在制造光纜工藝中注意防潮防水,減少殘存的應(yīng)力。首先是纜芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一定要用松結(jié)構(gòu),防止留下殘存的應(yīng)力,絞合光纜時要選擇合理的光纖余長,也能減小張應(yīng)力的作用;在纜芯內(nèi)填充石油凝膠,目的是為了防潮、防水、防含氫化合物(污染液體)的浸蝕;使用涂塑鋼帶、鋁帶也是為了防潮,增加光纜的抗側(cè)壓、抗張力的能力;有些工廠在纜芯內(nèi)每隔一米就加一個熱熔膠的阻水層,防止纜芯縱向水的滲透;選用線膨脹系數(shù)小的材料作纜芯的強(qiáng)度元件,目的也是保護(hù)光纖,免除外張力的影響。最后還要指出的一點(diǎn),就是制造光纜的每一種原材料,本身必須有30年以上的壽命,必須有高穩(wěn)定性的物理性能和化學(xué)性能。只有嚴(yán)格控制上述各道制造工藝的質(zhì)量,才可以延長光纜的使用壽命。
以上就是延長光纖光纜使用壽命的方法,希望對大家有幫助,如有疑問,請咨詢在線客服。
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