拉丝对光纤强度的影响

光纤拉丝生产中，最常见和最令人头疼的问题是光纤强度差造成的光纤损失和产出率降低。光纤拉丝过程中，因拉丝炉内石墨件和预制棒在高温下会挥发出相当多的灰尘颗粒，其中部分灰尘颗粒在与拉丝炉内保护气体一起随光纤拉丝下行的运动过程中，极有可能会吸附或撞击到石英玻璃光纤表面，从而对光纤造成损伤，在石英光纤表面留下典型的如图3.5.1（a）所示的由深到浅的V形槽形状的碰撞痕迹。其中部分情况下还能观测到如图3.5.1（b）和（c）所示的灰尘颗粒仍然粘嵌附着在石英玻璃光纤表面的典型光纤断点断面。

图3.5.1　炉内灰尘所致的光纤断点图

同时，由于在光纤拉丝过程中，在石英玻璃光纤被加上保护涂层之前，在拉丝路径上及拉丝过程中因各种原因造成的光纤轻微抖动，也有可能使得石英玻璃光纤在拉丝过程中与拉丝路径上的设备或备件发生如图3.5.2所示的碰撞或轻微刮擦，从而造成石英玻璃光纤受到损伤。

另外，在拉丝过程中，因路径清洁不到位或准直对中不好，路径上残留的光纤碎屑或设备部件等有可能刮擦或碰撞到光纤表面，如图3.5.3所示，特别是加上涂层后的光纤，涂层损伤后，光纤在后续的张力筛选和加工成缆过程中不一定会发生断裂，但这些光纤涂层的局部损伤也会影响到光纤的强度或使用寿命。

通常，影响光纤强度的主要因素是预制棒本身的质量。通过对预制棒表面进行处理可以明显提高光纤的强度。同时，在光纤拉丝过程中，稳定的拉丝炉温度，良好的涂覆质量和涂层固化度可以保证光纤达到理想的强度。下面就相关因素对光纤强度的影响分别进行分析。

3.5.1.1　预制棒对光纤强度的影响

光纤在生产过程中出现低强度断裂主要是由光纤存在的缺陷引起的。这些缺陷大致可分为内部缺陷和表面缺陷，内部缺陷主要预制棒中包含的气泡和杂质。表面缺陷则主要由微裂纹和微尘颗粒沾染造成，它与预制棒表面缺陷、损伤，拉丝炉和生产环境的洁净度，涂覆质量等因素密切相关。

图3.5.2　扫描电镜下光纤被擦碰产生的断点

图3.5.3　光学显微镜下涂层的严重刮伤

（1）内部缺陷的影响

预制棒制棒过程中，不可避免地存在气泡和杂质。预制棒内存在的一定直径的气泡，拉丝过程中这些微小气泡可能在拉丝炉高温条件下随预制棒加热熔融而扩散消失，部分比较大的气泡将发生破裂，或者被拉长成细小的气线，从而对光纤强度造成不利影响。对于预制棒内部杂质造成的缺陷，拉丝过程中几乎无法使其愈合和缩小，这类杂质通常是如图3.5.4（a）和（b）所示的高熔点金属氧化物，由于其膨胀系数与玻璃体存在较大的差异，因此在高温熔化时，杂质和玻璃体界面产生裂纹。裂纹在拉丝过程中会不断地增长，裂纹尺寸远远大于杂质本身的尺寸，因此这些杂质对光纤强度的危害比气泡的影响大得多。预制棒中存在的气泡和杂质对于光纤拉丝来说，是不可避免，如果预制棒质量控制不好，就无法通过拉丝工艺提高光纤强度。因此，预制棒质量是影响光纤强度的主要因素。

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图3.5.4　预制棒本身的内含杂质导致的光纤断点

（2）表面缺陷的影响

表面缺陷主要为微裂纹和表面污染。预制棒表面的微裂纹，在拉丝过程中有的会不可避免的转变成光纤表面细小的微裂纹。当光纤受到的外部应力大于这些细小微裂纹扩展的临界应力时，细小的微裂纹逐渐增大，最终导致光纤断裂。而表面沾污会降低裸光纤表面与内涂层的结合紧密度，当受到一定外力时，内涂层涂料和裸光纤之间的空隙引起裸光纤断裂。

目前，对于预制棒表面缺陷的处理方法主要是通过对预制棒表面进行火焰抛光或者用氢氟酸（HF）对预制棒表面进行腐蚀处理。火焰抛光可以有效地愈合预制棒表面的微裂纹，HF酸可以洗去附着在预制棒表面的杂质。因此在实际生产中，会对预制棒进行HF酸洗和火焰抛光等二次处理，以提高光纤强度。通过对未处理预制棒和处理后预制棒拉制光纤的强度进行统计和比较，结果表明，经过二次处理后的预制棒拉丝出来的光纤的强度显著提高。但采用氢氟酸（HF）酸洗时必须控制好酸洗的时间，否则酸洗时间过长反而会过度腐蚀和损伤预制棒的表明结构稳定性，导致微裂纹明显扩张。火焰抛光也需要控制好火焰燃烧气体的纯净度和环境的洁净度，以防止抛光时产生二次污染。

3.5.1.2　拉丝炉温度对光纤强度的影响

高温拉丝过程中光纤产生的点缺陷会导致机械强度减弱，其中最重要的点缺陷是Si－O键断裂产生的，Si－O键断裂和重组是一个动态过程，此类缺陷的浓度取决于Si－O键断裂和重组的平衡。理论研究表明此类缺陷的浓度随拉丝炉热区长度增加而增加，但提高拉丝速度能够减少此类缺陷。拉丝炉加热区越长，预制棒在高温区停留的时间越长，从而导致Si－O键产生断裂的频率越高。同样的研究表明，拉丝炉温度越高，从拉丝炉出来的石英玻璃光纤的缺陷浓度也将增加更多。

同时，由于在高温条件下，拉丝炉中的石墨件与预制棒挥发产生的SiO2将发生反应生成的SiC。SiC是一种硬度较高的微粒，在拉丝炉内如果SiC微粒碰到石英玻璃光纤，光纤表面会产生缺陷和裂纹。拉丝炉内温度越高，反应生成的SiC微粒的数量就越多，石英玻璃光纤表面被碰伤的概率就越高，因此造成的光纤表面缺陷越多，从而导致光纤强度越低。

3.5.1.3　涂层质量对光纤强度的影响

光纤涂层的作用是保护光纤表面不会受到机械损伤和潮气的影响，从而保持光纤原有的强度，涂层太薄或严重偏心会影响到其对光纤的机械保护作用。涂层的同心度在拉丝过程中容易变化，因此在拉丝中保存光纤涂层同心度稳定非常重要。有研究表明，涂层同心度在8μm以下，可以忽略涂层偏心可能造成的光纤强度降低。

光纤涂覆过程中，涂层中的气泡，特别是内涂层与石英玻璃光纤界面存在的气泡是另一个影响光纤强度的非常不利的因素。涂层中的气泡，会导致涂层和涂层之间以及涂层和裸光纤之间的结合力降低。光纤涂层在受到张力情况下，涂层中存在的气泡将会使光纤强度降低。

3.5.1.4　其他因素对光纤强度影响

在预制棒的运输过程和拉丝时预制棒不够准直的情况下，都有可能引起预制棒表面擦伤。当涂覆模具不良时，裸光纤表面也容易被涂覆模具擦伤。但一般来说，这些机械损伤在操作认真的情况下，是可以有效地避免。

除了上述的机械损伤外，另一个影响光纤强度的重要因素是环境中的灰尘以及石墨拉丝炉中的挥发物。这些灰尘不仅能粘附在预制棒和裸光纤表面，甚至会在炉子中形成小的颗粒，撞击预制棒的融化区，产生较大的缺陷。因此，在拉丝炉中除了采用高温时挥发小的高纯石墨材料外，还必须用高纯氩气强制排气，保证炉子局部保持一定的清洁度。对于拉丝环境，除了保证整个拉丝车间的洁净度外，还要在拉丝塔上安装空气过滤装置保证局部100级左右的净化区域。

可以看出，影响光纤强度的主要因素是预制棒的质量。通过对预制棒表面进行处理可以明显地提高光纤的强度，稳定的拉丝炉温度，较好的涂覆质量以及良好的固化度同样有助于提高光纤的强度。