Page 13 - 网络电信2022年11/12月刊
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特   约  专  栏

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            例如，Si +4e=Si，如果自由电子占据玻璃中网络结构点阵的空                     对光纤的处理。通过对涂层的防辐射功能化以进一步提高光纤
            位（负离子缺位），就可形成新的色心，能在光纤的通光区域                          的抗辐射性能。通过具有防辐射功能的涂层结构将高能射线吸
            产生新的吸收带。因此，辐射在玻璃中产生的自由电子，引起                          收或阻挡在外，进一步缓解辐射对光纤性能的影响，从而提升
            一些离子还原并形成新的色心，从而使玻璃染色变黑。此外，                          光纤的耐辐射性能。
            高能粒子实际上可以置换光纤中的离子而产生另外的缺陷，                               光纤的耐辐照涂层主要有耐辐照紫外固化的丙烯酸树脂和
            还会使二氧化硅网格中疲劳键断裂或网格中氧移位形成“色                           聚酰亚胺树脂。
            心”，产生的辐射感应缺陷中心可能具有使光纤衰减增加的光                              紫外固化的丙烯酸树脂内、外涂层为一种或多种防辐射功
            吸收谱带。在辐照条件中，主要威胁通信设备和通信光纤的辐                          能单体与丙烯酸酯的共聚体；
            照射线是γ射线。                                                 防辐射功能单体为甲基丙烯酸钐、甲基丙烯酸铅、甲基
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                当玻璃中含有Ce ，As ，Sb ，Pb ，Cr ，Mn 和Fe 等离              丙烯酸钆的任一种。防辐射功能单体在涂层中的质量分数为
            子时，由于核辐射引起的自由电子首先和离子反应，使离子的                          3wt.％-6wt.%。
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            价态发生变化，Ce ，As ，Sb 和Pb 本身及其价态的改变都是                        聚酰亚胺（Polyimide，PI）是指主链上含有酰亚胺环的一
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            无色的；而Cr ，Mn 和Fe 因本身着色，故在光学玻璃中很少                      类聚合物材料，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。
            采用。                                                  聚酰亚胺用作光纤的涂层已经有相当长的历史了。其使用温度
                通常,在常规光纤中，纤芯掺锗以提高折射率，以纯二氧                        范围为：-190℃~+385℃，是目前工程塑料中耐热性最好的品
            化硅为包层形成光纤的波导结构。石英光纤中掺Ge0 2 ,由于Ge取                    种之一，具有热膨胀系数较低、优异的机械性能、良好的化学
            代[Si0 4 ]四面体中的Si从而造成四面体的扭曲，在光纤中产生                    稳定性及耐湿热性、耐辐射等优点。聚酰亚胺大分子中没有亲
            应力，最终形成缺陷。而且这些杂质原子具有较强的电子亲和                          水性基团，吸水率低。聚酰亚胺大分子链中存在着大量酰亚胺
            力，容易俘获辐照后产生的电荷形成“色心“，色心吸收特定                          基团闭合环，碳氮键处于五节杂环的保护之下，稳定性好，这
            波长的光而导致损耗增加，从而导致光纤无法进行光信号的正                          些化学结构特点决定了聚酰亚胺拥有良好的耐辐射性能：聚酰
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            常传输。                                                 亚胺薄膜在5×10   rad剂量辐射后，强度仍保持86%，某些聚酰
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                目前业内采取的提高光纤耐辐射光纤的普遍方法是：采                         亚胺纤维经1×10   rad快电子辐射后，其强度保持率为90%。
            用高纯度二氧化硅为纤芯以避免研制的耐辐射光纤在长期低剂                          聚酰亚胺涂层的光纤广泛应用于特殊环境中，如高温，化学腐
            量率和短期大剂量率的辐射下产生光吸收色心；采用在二氧化                          蚀和辐射环境中。
            硅中掺入一定量氟元素制作低折射率包层，形成光纤的导光界
            面。在保证光纤传输性能的同时避免辐射感应缺陷色心的形                               二、耐辐照光缆的结构材料考量
            成。                                                       各种射线的长期辐射是使高分子产品劣化的重要原因，因
                考虑到光纤的抗辐射性能与其中的前驱体缺陷及应力密切                        此提高材料的抗辐照能力是非常重要的。聚合物的耐辐照性与
            相关，故而也有必要了解拉丝过程中的应力产生机制。拉丝过                          其分子结构、分子量和聚集态有关，不吸收某些射线，或者吸
            程中，残余应力是由于组成纤芯与包层的材料的性能存在差异                          收射线后产生光交链的聚合物耐辐射性能好，如聚苯乙烯，聚
            造成的。光纤中的残余应力通常分为热应力和机械应力两种。                          乙烯等。  相反，辐射后发生分解的聚合物耐辐射性能较差。此
            纤芯与包层材料的热膨胀系数差异是造成热应力的主要原因，                          外，防止射线的进入或者淬灭辐射引起的激发态自由基也是提
            热应力与拉丝条件无关；机械应力是由于纤芯与包层材料的粘                          高耐辐射的重要手段，在聚合物分子中引入稳定结构可以构成
            度和杨氏模量不同造成的，机械应力与拉丝张力存在相关性。                          本征耐辐照高分子，在聚合物中添加稳定剂可以构成复合性耐
            因而光纤在拉丝过程中也会由纤芯/包层界面应力导致应变而产                         辐照材料。耐辐照的高分子材料由于其分子结构的特点，通常
            生缺陷，尤其是纯硅芯单模光纤需要采用极低的张力拉丝，其                          同时具有良好的耐高温和阻燃性能。
            抗辐射性能对拉丝工艺的依赖性相对较大。                                      在耐辐照光缆结构材料中，除了光纤外，主要有套塑材料
                对于纤芯掺氯、包层掺氟的光纤则可通过纤芯和包层在界                        （包括紧包层和松包层），抗张元件,护套材料和铠装层。抗张
            面粘度匹配的方法来消除或减小拉丝应力，提高光纤的抗辐照                          元件主要有KFRP, 芳纶纱及其编织层。
            性能。                                                      2.1耐辐射光纤紧包层材料
                业内也有报道一种后处理工艺对石英光纤抗辐射性能的                             2.1.1聚醚醚酮
            优化方法：利用热处理和预辐照技术提高光纤耐辐射性能的方                              聚醚醚酮（英文名称poly-ether-ether-ketone，PEEK）是
            法。热处理技术是在玻璃假想温度（fictive  temperature）附               作为耐辐射光纤紧包层的首选材料。聚醚醚酮由于其大分子链
            近温区进行长时间保温，利用热效应消除石英基质中的材料缺                          上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基，
            陷，从而减少“色心”的形成。预辐照技术利用γ射线与光纤                          且结构规整，因而其既具有热固性塑料的耐高温性能、优异的
            中不稳定的格点作用，虽然会小幅提高光纤的固有损耗，但同                          机械强度（高强度、高弹性模量、高断裂韧性）、化学稳定
            样可以达到消除材料缺陷的目的。业内还有对光纤预制棒依次                          性、电气性能和耐辐射，其耐辐射性极其优异，特别在耐γ射
            进行退火、载氢以及预辐照预处理；再对经预处理后的光纤预                          线方面，是所有工程塑料中最好的（1100  Mrad）。又具有热塑
            制棒进行拉丝，制得耐辐射光纤。鉴于现有的耐辐射光纤主要                          性塑料的易加工性，可以利用加工热塑性塑料的机械设备进行
            为“纯石英芯区+掺氟石英包层”的结构，且制备工艺主要涉及                         加工。

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