光纖光纜生產(chǎn)工藝流程

1、光纖光纜制造工藝及設(shè)備重點內(nèi)容:原料提純工藝、預制棒汽相沉積工藝、拉絲工藝、套塑工藝、余長形成、松套水冷、絞合工藝、層絞工藝難點:汽相沉積工藝參數(shù)確定、拉絲環(huán)境保護、余長的控制、梯度水冷的控制、絞合參數(shù)的選擇主要內(nèi)容:（1）光纖制造工藝光纖光纖預制棒拉絲及一光纖張力篩(2)纜芯制造工藝（成纜工藝）二次套塑質(zhì)量檢測與合格光二次涂覆纜芯(3)護套擠制工藝絞合機成品光纜圖50-1光纖光纜制造工藝流程圖骨架式纜芯通信用光纖是由高純度SiO與少量高折射率摻雜劑GeO、TiO、AlO、ZrO222232和低折射率摻雜劑SiF(F)或BO或PO等玻璃材料經(jīng)涂覆高分子材料制成的具有一定機械42325強度的涂覆

2、光纖。而通信用光纜是將若干根（12160根）上述的成品光纖經(jīng)套塑、絞合、擠護套、裝鎧等工序工藝加工制造而成的實用型的線纜產(chǎn)品。在光纖光纜制造過程中，要求嚴格控制并保證光纖原料的純度，這樣才能生產(chǎn)出性能優(yōu)良的光纖光纜產(chǎn)品，同時，合理的選擇生產(chǎn)工藝也是非常重要的。目前，世界上將光纖光纜的制造技術(shù)分成三大工藝.5.0.1光纖制造工藝的技術(shù)要點:1.光纖的質(zhì)量在很大程度上取決于原材料的純度，用作原料的化學試劑需嚴格提純，其金屬雜質(zhì)含量應(yīng)小于幾個ppb，含氫化合物的含量應(yīng)小于1ppm，參與反應(yīng)的氧氣和其他氣體的純度應(yīng)為6個9（）以上，干燥度應(yīng)達80露點。2.光纖制造應(yīng)在凈化恒溫的環(huán)境中進行，光纖預制棒、

3、拉絲、測量等工序均應(yīng)在10000級以上潔凈度的凈化車間中進行。在光纖拉絲爐光纖成形部位應(yīng)達100級以上。光纖預制棒的沉積區(qū)應(yīng)在密封環(huán)境中進行。光纖制造設(shè)備上所有氣體管道在工作間歇期間，均應(yīng)充氮氣保護，避免空氣中潮氣進入管道，影響光纖性能。3.光纖質(zhì)量的穩(wěn)定取決于加工工藝參數(shù)的穩(wěn)定。光纖的制備不僅需要一整套精密的生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)，尤其重要的是要長期保持加工工藝參數(shù)的穩(wěn)定，必須配備一整套的用來檢測和校正光纖加工設(shè)備各部件的運行參數(shù)的設(shè)施和裝置。以MCVD工藝為例：要對用來控制反應(yīng)氣體流量的質(zhì)量流量控制器（MFC）定期進行在線或不在線的檢驗校正，以保證其控制流量的精度；需對測量反應(yīng)溫度的紅外高溫測

4、量儀定期用黑體輻射系統(tǒng)進行檢驗校正，以保證測量溫度的精度；要對玻璃車床的每一個運轉(zhuǎn)部件進行定期校驗，保證其運行參數(shù)的穩(wěn)定；甚至要對用于控制工藝過程的計算機本身的運行參數(shù)要定期校驗等。只有保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)，才有可能持續(xù)生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的光纖產(chǎn)品。5.0.2光纜纜芯制造工藝的技術(shù)要點：每種光纜都有自己的生產(chǎn)工藝，因為它們之間存在著不同的性能要求和結(jié)構(gòu)型式，所以各部分材料不盡相同，結(jié)構(gòu)方面存在差異。故生產(chǎn)過程中都有自己的生產(chǎn)工藝流程。但是各種光纜的基本制造工藝流程是基本相同的。成纜工藝首先要做兩方面的準備并應(yīng)注意這樣幾點技術(shù)要點：（1）選擇具有優(yōu)良傳輸特性的光纖，此光纖可以是單模光纖也可以是多模光纖

5、，并對光纖施加相應(yīng)應(yīng)力的篩選，篩選合格之后才能用來成纜；（2）對成纜用各種材料，強度元件，包扎帶，填充油膏等進行抽樣檢測，100的檢查外形和備用長度，同時，按不同應(yīng)用環(huán)境，選擇專用的成纜材料。（3）在層絞結(jié)構(gòu)中要特別注意絞合節(jié)距和形式的選擇，要合理科學，作到在成纜、？設(shè)和使用運輸中避免光纖受力。（4）在骨架式結(jié)構(gòu)中注意光纖置入溝槽時所受應(yīng)力的大小，保證光纖既不受力也不松馳跳線。（5）中心管式結(jié)構(gòu)中特別注意中心管內(nèi)部空間的合理利用，同時注意填充油膏的壓力與溫度的控制。5.0.3光纜外護套擠制工藝的技術(shù)要點根據(jù)不同使用環(huán)境，選擇不同的護套結(jié)構(gòu)和材料，并要考慮？設(shè)效應(yīng)和老化效應(yīng)的影響。在擠制內(nèi)外護套

6、時，注意擠出機的擠出速度、出口溫度與冷卻水的溫度梯度、冷卻速度的合理控制，保證形成合理的材料溫度性能。對于金屬鎧裝層應(yīng)注意鎧裝機所施加壓力的控制。光纖原料、制備與提純工藝5.1.1光纖原料特點1SiO光纖原料試劑與制備2制備SiO石英系光纖的主要原料多數(shù)采用一些高純度的液態(tài)鹵化物化學試劑，如四氯2化硅（SiCl）,四氯化鍺（GeCl），三氯氧磷（POCl）,三氯化硼（BCl）,三氯化鋁（AlCl）,44333溴化硼（BBr），氣態(tài)的六氟化硫（SF）,四氟化二碳(CF)等。這些液態(tài)試劑在常溫下呈無3624色的透明液體，有刺鼻氣味，易水解，在潮濕空氣中強烈發(fā)煙，同時放出熱量，屬放熱反應(yīng)。以SiCl

7、為例，它的水解化學反應(yīng)式如下：4SiCl+2HO4HCl+SiO42SiCl+4HO422(5-1-1)HSiO+4HCl44(5-1-2)由于鹵化物試劑的沸點低，SiCl試劑的沸點在57.6，故易汽化，故提純工藝多采用4汽相提純。SiCl的化學結(jié)構(gòu)為正四面體，無極性，與HCl具有同等程度的腐蝕性，有毒。4SiCl是制備光纖的主要材料，占光纖成分總量的8595。SiCl的制備可采用多種44方法，最常用的方法是采用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗SiCl，化學反應(yīng)如下：4Si+2Cl2SiCl4(5-1-3)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)爐內(nèi)溫度隨著反應(yīng)加劇而升高，所以要控制氯氣流量，防止反應(yīng)溫度過高，生成Si

8、Cl和SiCl。反應(yīng)生成的SiCl蒸氣流入冷凝器，這樣制得SiCl液體263844原料,工藝流程如圖5-1-2。2SiO光纖原料的提純2試劑提純工藝經(jīng)大量研究表明，用來制造光纖的各種原料純度應(yīng)達到，或者雜質(zhì)含量要小于106。大部分鹵化物材料都達不到如此高的純度，必須對原料進行提純處理。鹵化物試劑目前已有成熟的提純技術(shù)，如精餾法，吸附法，水解法，萃取法和絡(luò)合法等。目前在光纖原料提純工藝中，廣泛采用的是“精餾吸附精餾”混合提純法。如圖5-1-3。一般情況下，SiCl中可能存在的雜質(zhì)有四類：金屬氧化物、非金屬氧化物、含氫化合4物和絡(luò)合物。其中金屬氧化物和某些非金屬氧化物的沸點和光纖化學試劑的沸點相差

9、很大，可采用精餾法除去，即在精餾工藝中把它們作為高、低沸點組分除去，光纖中含有的金屬雜質(zhì)的某些特性如表5-1-3所示。然而，精餾法對沸點（）與SiCl相近的組分雜質(zhì)及某些4極性雜質(zhì)不能最大限度的除去。例如：在SiCl中對衰減危害最大的OH-離子，它可能主要4來源于SiHCl和其他含氫化合物，而且大多有極性，趨向于形成化學鍵，容易被吸附劑所3吸收。而SiCl是偶極矩為零的非極性分子，有著不能或者很少形成化學鍵的穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)，4如圖5-1-4，不易被吸附劑吸附，因此，利用被提純物質(zhì)和雜質(zhì)的化學鍵極性的不同，選擇適當?shù)奈絼?，有效地選擇性地進行吸附分離，可以達到進一步提純極性雜質(zhì)的目的。精餾是蒸餾方

10、法之一，主要用于分離液體混合物，以便得到純度很高的單一液體物質(zhì)。精餾塔由多層塔板和蒸餾釜構(gòu)成，蒸餾得到的產(chǎn)品可分為塔頂餾出液（SiCl液體）和蒸餾4釜殘液（含金屬雜質(zhì)物質(zhì)）二種，SiCl餾出液由塔頂蒸汽凝結(jié)得到，為使其純度更高，將4其再回流入塔內(nèi)，并與從蒸餾釜連續(xù)上升的蒸汽在各層塔板上或填料表面密切接觸，不斷地進行部分汽化與凝縮，這一過程相當于對SiCl液體進行了多次簡單的蒸餾，可進一步提4高SiCl的分離純度。4吸附劑的種類及選擇：吸附劑是指對氣體或溶質(zhì)發(fā)生吸附現(xiàn)象的固體物質(zhì)。在應(yīng)用上要求具有巨大的吸附表面，同時對某些物質(zhì)必須具有選擇性的吸附能力。一般為多孔性的固體顆?；蚍勰?。常用的吸附劑有

11、活性炭、硅氧膠、活性氧化鋁和分子篩等。在光纖原料提純工藝中使用的吸附劑有兩種：活性氧化鋁吸附柱和活性硅膠，利用活性氧化鋁和活性硅膠吸附柱完成對OH-、H+等離子的吸附。在四級精餾工藝中再加一級簡單的蒸餾工藝并采用四級活性氧化鋁吸附劑和一級活性硅膠吸附劑作為吸附柱。這就構(gòu)成了所謂的“精餾吸附精餾”綜合提純工藝。采用這種提純工藝可使SiCl純度達到很高的水平，金屬雜質(zhì)含量可降低到5ppb左右，含氫化物4SiHCl的含量可降低到。35.1.3SiO光纖用輔助原料及純度要求2在制備SiO光纖時，除需要SiCl鹵化物試劑外，還需要一些高純度的摻雜劑和某些有24助反應(yīng)的輔助試劑或氣體。在沉積包層時，需摻入

12、少量的低折射率的摻雜劑。如BO，F(xiàn)，SiF等；在沉積芯層時，234需要摻雜少量的高折射率的摻雜劑，如GeO、PO、TiO、ZrO、AlO等。2252223如采用四氯化鍺與純氧氣反應(yīng)得到高摻雜物質(zhì)GeO，而利用氟里昂與SiCl加純O反242應(yīng)得到低摻雜物質(zhì)SiF等。4作為載氣使用的輔助氣體-純Ar或O。氧氣是攜帶化學試劑進入石英反應(yīng)管的載流2氣體，同時，也是氣相沉積（如MCVD）法中參加高溫氧化反應(yīng)的反應(yīng)氣體。它的純度對光纖的衰減影響很大，一般要求它含水(HO)的露點在7083，含HO量1ppm；22其它氫化物含量。氬氣（Ar）有時也被用來作為載送氣體，對它的純度要求與氧氣相同。為除去沉積在石英

13、玻璃中的氣泡用的除泡劑-氦氣He。氦氣有時被用來消除沉積玻璃中的氣泡和提高沉積效率，對它的純度要求與純氧氣相同。在光纖制造過程中起脫水作用的干燥劑SOCl或Cl。干燥試劑或干燥氣體等在沉積22過程中或熔縮成棒過程中起脫水作用，對它們的純度要求與氧氣相同，這樣才能避免對沉積玻璃的污染。光纖用石英包皮管技術(shù)要求石英包皮管質(zhì)量的好壞，對光纖性能的影響很大，例如，用MCVD法和PCVD法制備光纖，都要求質(zhì)量好的石英包皮管，用VAD法制作的棒上，有時也加質(zhì)量好的外套石英管，然后再拉絲。這些石英包皮管均與沉積的芯層和或內(nèi)包層玻璃熔為一整體，拉絲后成為光纖外包層，它起保護層的作用。如果包皮管上某些部位存在氣

14、泡，未熔化的生料粒子和雜質(zhì)，或某些堿金屬元素（Na、K、Mg等）雜質(zhì)富集到某一點，就會產(chǎn)生應(yīng)力集中或者使光纖玻璃內(nèi)造成缺陷或微裂紋。一旦當光纖受到張應(yīng)力作用時，若主裂紋上的應(yīng)力集中程度達到材料的臨界斷裂應(yīng)力e，光纖就斷裂。同時還存在著另一種可能，當施加應(yīng)力低于臨界斷裂應(yīng)力時，光纖表面裂紋趨向擴大、生長，以致裂紋末端的應(yīng)力集中加強。這樣就使裂紋的擴展速度逐漸加快，直至應(yīng)力集中重新達到臨界值，并出現(xiàn)斷裂，這種現(xiàn)象屬材料的靜態(tài)疲勞。它決定了光纖在有張應(yīng)力作用情況下的使用壽命期限。為提高成品光纖的機械強度和傳輸性能，對石英包皮管的內(nèi)在的雜質(zhì)含量和幾何尺寸精度，都必須提出嚴格的要求。管內(nèi)沉積石英包皮管技

15、術(shù)指標要求：外徑：20（mm）外徑公差：（mm）壁厚：20.3mm壁厚公差：（mm）長度：10001200mm錐度：0.5mm/m（外徑）弓形:1mm/m不同心度：0.15mm橢圓度（長、短軸差）：0.8mmCSA:同一根包皮管，平均CSA；同一批包皮管，平均CSA4（CSA-包皮管橫截面的變化量）OH-濃度：150ppm開放形氣泡：不允許存在任何大小的開放形氣泡；封閉形氣泡可允許：每米一個長5mm、寬0.8mm封閉形氣泡存在每米13個長1.5mm、寬0.1mm封閉形氣泡存在每米35個長0.5mm、寬0.1mm封閉形氣泡存在夾雜物：在同一批包皮管中2包皮管允許每米有最大直徑0.3mm的夾雜物。

16、嚴重斑點（非玻璃化粒子）：決不允許外來物質(zhì)（指紋、沖洗的污斑和灰塵）：決不允許溝棱凹凸：n，就滿足了光波在芯層傳輸?shù)幕疽蟆?2幾何尺寸:將制得的光纖預制棒放入高溫拉絲爐中加溫軟化，并以相似比例尺寸拉制成線徑很小的又長又細的玻璃絲。這種玻璃絲中的芯層和包層的厚度比例及折射率分布，與原始的光纖預制棒材料完全一致，這些很細的玻璃絲就是我們所需要的光纖。當今，SiO光纖預制棒的制造工藝是光纖制造技術(shù)中最重要、也是難度最大的工藝，2傳統(tǒng)的SiO光纖預制棒制備工藝普遍采用氣相反應(yīng)沉積方法。2目前最為成熟的技術(shù)有四種：美國康寧公司在1974年開發(fā)成功，1980年全面投入使用的管外氣相沉積法，簡稱OVD法

17、（OVDOutsideVaperDeposition）；美國阿爾卡特公司在1974年開發(fā)的管內(nèi)化學氣相沉積法，簡稱MCVD法（MCVDModifiedChemicalVaperDeposition）；日本NTT公司在1977年開發(fā)的軸向氣相沉積法，簡稱VAD法（VADVaperAxialDeposition）；荷蘭菲利浦公司開發(fā)的微波等離子體化學氣相沉積法，簡稱PCVD法（PCVDPlasmaChemicalVaperDeposition）。上述四種方法相比，其各有優(yōu)缺點，但都能制造出高質(zhì)量的光纖產(chǎn)品，因而在世界光纖產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中各領(lǐng)一份風騷。除上述非常成熟的傳統(tǒng)氣相沉積工藝外，近年來又開發(fā)了等離

18、子改良的化學氣相沉積法（PMCVD）、軸向和橫向等離子化學氣相沉積法（ALPD）、MCVD大棒法、MCVD/OVD混合法及混合氣相沉積法（HVD）、兩步法等多種工藝。氣相沉積法的基本工作原理:首先將經(jīng)提純的液態(tài)SiCl和起摻雜作用的液態(tài)鹵化物，并4在一定條件下進行化學反應(yīng)而生成摻雜的高純石英玻璃。由于該方法選用的原料純度極高，加之氣相沉積工藝中選用高純度的氧氣作為載氣，將汽化后的鹵化物氣體帶入反應(yīng)區(qū)，從而可進一步提純反應(yīng)物的純度，達到嚴格控制過渡金屬離子和OH-羥基的目的。盡管利用氣相沉積技術(shù)可制備優(yōu)質(zhì)光纖預制棒，但是氣相技術(shù)也有其不足之處，如原料昂貴，工藝復雜，設(shè)備資源投資大，玻璃組成范圍窄

19、等。為此，人們經(jīng)不斷的艱苦努力，終于研究開發(fā)出一些非氣相技術(shù)制備光纖預制棒：界面凝膠法BSG，主要用于制造塑料光纖；直接熔融法DM，主在用于制備多組份玻璃光纖；玻璃分相法PSG；溶膠凝膠法SOL-GFL，最常用于生產(chǎn)石英系光纖的包層材料；機械擠壓成型法MSP。1.管內(nèi)化學氣相沉積法管內(nèi)化學氣相沉積法，是目前制作高質(zhì)量石英系玻璃光纖穩(wěn)定可靠的方法，它又稱為“改進的化學氣相沉積法”（MCVD）。MCVD法的特點是在一根石英包皮管內(nèi)沉積內(nèi)包皮層和芯層玻璃，整個系統(tǒng)是處于全封閉的超提純狀態(tài)，所以用這種方法制得的預制棒純度非常的高，可以用來生產(chǎn)高質(zhì)量的單模和多模光纖。MCVD法制備光纖預制棒工藝可分為二

20、步：第一步，熔煉光纖預制棒的內(nèi)包層玻璃MCVD法制備光纖預制棒工藝可分為二步：第一步，熔煉光纖預制棒的內(nèi)包層玻璃制備內(nèi)包層玻璃時，由于要求其折射率稍低于芯層的折射率，因此，主體材料選用四氯化硅（SiCl），低折射率摻雜材料可以選擇氟利昂（CFCl）、六氟化硫（SF）、四氟化二4226碳CF、氧化硼B(yǎng)O等化學試劑。并需要一根滿足要求的石英包皮管（20020mm）；同2423時需要載氣（O或Ar）、脫泡劑（He），干燥劑（POCl或Cl）等輔助材料。232所需設(shè)備主要有可旋轉(zhuǎn)玻璃車床、加熱用氫氧噴燈、蒸化化學試劑用的蒸發(fā)瓶及氣體輸送設(shè)備和廢氣處理裝置、氣體質(zhì)量流量控制器、測溫裝置等。工藝示意圖如5

21、-2-3所示。圖5-2-3管內(nèi)化學氣相沉積法工藝示意圖首先利用超純氧氣O或氬氣Ar作為載運氣體，通過蒸發(fā)瓶1將已汽化的飽和蒸氣SiCl24和摻雜劑（如CFCl）經(jīng)氣體轉(zhuǎn)輸裝置導入石英包皮管中，這里，純氧氣一方面起載氣作22用，另一方面起反應(yīng)氣體的作用，它的純度一定要滿足要求。然后，啟動玻璃車床，以幾十轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速使其旋轉(zhuǎn)，并用14001600高溫氫氧火焰加熱石英包皮管的外壁，這時管內(nèi)的SiCl和CFCl等化學試劑在高溫作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成粉塵狀的化合物SiO4222與SiF（或BO），并沉積在石英包皮管的內(nèi)壁上。凡氫氧火焰經(jīng)過的高溫區(qū)，都會沉積423一層（約810m）均勻透明的摻雜玻璃

22、SiO-SiF4（或SiO-BO），反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氯2223氣和沒有充分反應(yīng)完的原料均被從石英包皮管的另一尾端排出，并通過廢氣處理裝置進行中和處理。在沉積過程中，應(yīng)按一定速度左右往復地移動氫氧噴燈，氫氧火焰每移動一次，就會在石英包皮管的內(nèi)壁上沉積一層透明的SiO-SiF（或SiO-BO）玻璃薄膜，厚度約為24223810m。不斷從左到右緩慢移動，然后，快速返回到原處，進行第二次沉積，重復上述沉積步驟，那么在石英包皮管的內(nèi)壁上就會形成一定厚度的SiO-SiF、SiO-BO玻璃層，作24223為SiO光纖預制棒的內(nèi)包層。2在內(nèi)包層沉積過程中，可以使用的低折射率摻雜劑有CFCl、SF、CF、BO等

23、，其2262423氧化原理與化學反應(yīng)方程式如下：SiClO42SiO2Cl22（5-2-1）SiCl2O2CFCl4222SiF2Cl422CO2或（5-2-2）3SiCl2O2SF4263SiF3Cl2SO422或（5-2-3）3O4BBr232BO6Br232（5-2-4）第二步，熔煉芯層玻璃光纖預制棒芯層的折射率比內(nèi)包層的折射率要稍高些，可以選擇高折射率材料（如三氯氧磷POCl、四氯化鍺GeCl等）作摻雜劑，熔煉方法與沉積內(nèi)包層相同。用超純氧（O）342氣把蒸發(fā)瓶1、2中已汽化的飽和蒸氣SiCl、GeCl或POCl等化學試劑經(jīng)氣體輸送系統(tǒng)送443入石英包皮管中，進行高溫氧化反應(yīng)，形成粉末

24、狀的氧化物SiO-GeO或SiO-PO,并沉積22225在氣流下漩的內(nèi)壁上，氫氧火焰經(jīng)過的地方，就會在包皮管內(nèi)形成一層均勻透明的氧化物SiO-GeO（或SiO-PO）沉積在內(nèi)包層SiO-SiF玻璃表面上。經(jīng)2222524一定時間的沉積，在內(nèi)包層上就會沉積出一定厚度的摻鍺（GeO）玻璃，作為光纖預制棒2的芯層。沉積芯層過程中，高溫氧化的原理與化學反應(yīng)方程式如下：SiCl4O2SiO22Cl2（5-2-5）GeCl4O2GeO22Cl2（5-2-6）2POCl34O22PO253Cl2（5-2-7）芯層經(jīng)數(shù)小時的沉積，石英包皮管內(nèi)壁上已沉積相當厚度的玻璃層，已初步形成了玻璃棒體，只是中心還留下一個

25、小孔。為制作實心棒，必須加大加熱包皮管的溫度，使包皮管在更高的溫度下軟化收縮，最后成為一個實心玻璃棒。為使溫度升高，可以加大氫氧火焰，也可以降低火焰左右移動的速度，并保證石英包皮管始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使石英包皮管外壁溫度達到1800。原石英包皮管這時與沉積的石英玻璃熔縮成一體，成為預制棒的外包層。外包層不起導光作用，因為依前幾章的分析可知：激光束是在沉積的芯層玻璃中傳播。由于光脈沖需經(jīng)芯層傳輸，芯層剖面折射率的分布型式將直接影響其傳輸特性，那么如果控制芯層的折射率呢？芯層折射率的保證主要依靠攜帶摻雜試劑的氧氣流量來精確控制。在沉積熔煉過程中，由質(zhì)量流量控制器（MFC）調(diào)節(jié)原料組成的載氣流量實現(xiàn)。

26、如果是階躍型光纖預制棒，那么載氣（O）的流量應(yīng)為恒定：2Q=cont（5-2-8）如果是梯度分布型光纖預制棒，載氣的流量Q可由下式?jīng)Q定：Q1tQxg0 xxx2t（5-2-9）式中：Q0-摻雜試劑載氣的最大流量。Qx-沉積第x層時所需的摻雜試劑載氣總流量。xt-沉積芯層過程中的總層數(shù)。x-沉積的第x層。g-光纖剖面折射率分布指數(shù)。為使光纖預制棒的折射率分布達到所需的要求，可以通過向二氧化硅基體中加入少量摻雜劑來改變其折射率的方法實現(xiàn)。為滿足光纖的導光條件要求，通?？刹捎萌N摻雜方式：1.在熔煉纖芯玻璃時，按某種規(guī)律摻入少量的較石英折射率n稍高的材料，例如（GeO）02氧化鍺或氧化磷PO、使芯層

27、的折射率為n，即nn；23110在制備包層玻璃時，同樣，摻入少量的較石英折射率n稍低的材料，例如氟F或氧化0硼B(yǎng)O等，使包層的折射率為n并小于純二氧化硅的折射率n，即nn。122.熔煉纖芯玻璃時，摻雜方法與“1”中相同，nn；而在制備包層時，只沉積二氧化10硅材料，不摻雜任何摻雜劑，得到純SiO玻璃層，其折射率為nn，滿足nnn的光220120纖導光條件的要求。3.熔煉纖芯玻璃時，只沉積二氧化硅材料，不摻雜任何摻雜劑，得到純SiO玻璃層，2其折射率為nn，而制備包層玻璃時，與1.中沉積包層的方法相同，使包層的折射率為10n并小于純二氧化硅的折射率n，即nn的光纖導光條件的要求。2020102在

28、光纖預制棒沉積過程中，如果摻雜試劑的含量過多，沉積層之間的玻璃熱膨脹系數(shù)會出現(xiàn)不一致，在最后的軟化吸收熔縮成棒工藝中，棒內(nèi)玻璃將會產(chǎn)生裂紋，影響預制棒的最終質(zhì)量與合格率，所以必須嚴格控制摻雜劑的含量。此外，使用MCVD法熔煉光纖預制棒時，由于最后一道工序-熔縮成棒時的溫度過高，1800，使石英包皮管芯層中心孔內(nèi)表面附近的摻雜劑分解升華，擴散（GeO沸2點？），最終導致預制棒中心的折射率下降，折射率分布曲線出現(xiàn)中心凹陷，如圖52-5所示。GeO2GeOO2（510）圖5-2-5光纖折射率分布曲線中心凹陷分解反應(yīng)的結(jié)果是使沉積層材料成份產(chǎn)生變化。GeO揮發(fā)、分解，引起光纖中心凹陷，2此凹陷的深度和

29、寬度由其中心孔附近失去的摻雜材料(GeO)的多少來決定。這種現(xiàn)象對光2纖的衰減和色散都有很大的影響，尤其對多模光纖的傳輸帶寬影響是非常大的，僅此一項有時就把光纖寬度限制在了1GHZ?km之內(nèi)，對單模光纖的色散、帶寬也會造成一定的影響。為消除或減少這種影響，一般，可采用二種方法解決：1.補償法：所謂補償法是在熔煉成實芯棒過程中，不間斷的送入GeCl飽和蒸氣，以補償高溫升4華、擴散造成的GeO損失，從而達到補償光纖預制棒中心位置折射率的降低問題。2使用此種方法會使光纖預制棒中金屬鍺的含量增高，導致瑞利散色損耗的增加。因此此方法并不是最理想。2.腐蝕法：所謂腐蝕法是在熔縮成實芯棒時，向管內(nèi)繼續(xù)送入C

30、FCl、SF等含氟飽和蒸汽和純氧226氣，使它們與包皮管中心孔表面失去部分GeO的玻璃層發(fā)生反應(yīng)，生成SiF、GeF，從而244把沉積的芯層內(nèi)表面折射率降低部分的玻璃層腐蝕掉，這樣中心凹陷區(qū)會被減少或完成被消除掉，濃縮成棒后可大大改善光纖的帶寬特性。同時，由于氯氣具有極強的除濕作用，因此，利用CFCl作蝕刻材料，具有蝕刻和除濕雙重作用。腐蝕原理與化學反應(yīng)式如下：222CFClO2222COF2Cl22（52-11）2COF2SiO2SiF42CO2(5-2-12)2COF2GeOGeF42CO(5-2-13)這個反應(yīng)是不完全的，由于較高的溫度和較高的氧濃度，平衡狀態(tài)更多地向正向移動，如圖5-2

31、-6所示。MCVD法自動化程度非常高，關(guān)鍵工藝參數(shù)均由計算機精確控制，包括：載運化學試劑的純氧流量，加熱溫度，試劑蒸發(fā)瓶的水浴溫度，玻璃車床的轉(zhuǎn)速，石英包皮管在高溫下外徑形變的檢測等。MCVD法的優(yōu)點是工藝相對比較簡單，對環(huán)境要求不是太高，可以用于制造一切已知折射率剖面的光纖預制棒，但是由于反應(yīng)所需熱量是通過傳導進入石英包皮管內(nèi)部，熱效率低，沉積速度慢，同時又受限于外部石英包皮管的尺寸，預制棒尺寸不易做大，從而限制了連續(xù)光纖的制造長度。目前，一棒可拉連續(xù)光纖長15km25km。因此在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本上難與OVD和VAD法競爭。為了克服MCVD法的上述缺點，人們又研究了采用套管制備大尺寸光纖預

32、制棒的方法，即大棒套管技術(shù)，其方法是在沉積的光纖預制棒外，套一根大直徑的石英管，然后，將它們燒成一體，石英包皮管和外套管一起構(gòu)成光纖預制棒的內(nèi)外包層，石英包皮管內(nèi)沉積的玻璃全部作為芯層，這樣制成的大棒預制棒，可增加連續(xù)拉絲光纖的長度，一般可達幾百公里。并可以提高光纖預制棒的生產(chǎn)效率。但是傳統(tǒng)使用的石英包皮管及套管都是采用天然石英材料制成的天然石英管，天然石英管比起化學沉積層得到的包皮管的損耗相對要大，因此在制作單模光纖預制棒時，包層的大部分還必須采用沉積層來獲得低損耗的光纖預制棒，加之天然石英管的尺寸本身在制造上也受到限制，因此采用大棒套管技術(shù)的MCVD法仍無法與OVD、VAD相抗衡。然而，近

33、年來MCVD法又有了突破性的發(fā)展，這主要得益于合成石英管的開發(fā)成功。5.2.2微波等離子體化學氣相沉積法微波等離子體化學氣相沉積法，簡稱為PCVD法，如圖5-2-9所示。1975年，由荷蘭菲利浦公司的Koenings先生研究發(fā)明。PCVD法與MCVD法工藝十分相似，都是采用管內(nèi)氣相沉積工藝和氧化反應(yīng)，所用原料相同，不同之處在于反應(yīng)機理的差別。PCVD法的反應(yīng)機理是將MCVD法中的氫氧火焰加熱源改為微波腔體加熱源。將數(shù)百瓦千瓦級的微波（f2450MHz）功率送入微波諧振腔中，使微波諧振腔中石英包皮管內(nèi)的低壓氣體受激產(chǎn)生等離子體，形成輝光放電，使氣體電離，等離子體中含有電子、原子、分子、離子，是一

34、種混合態(tài)，這些粒子在石英包皮管內(nèi)遠離熱平衡態(tài)，電子溫度可高達10000K，而原子、分子等粒子的溫度可維持在幾百度甚至是室溫，是一種非等溫等離子體，各種粒子重新結(jié)合，釋放出的熱量足以熔化蒸發(fā)低熔點低沸點的反應(yīng)材料SiCl和GeCl等化學試劑，形成44氣相沉積層。圖52-9PCVD法工藝示意圖PCVD法制備光纖預制棒的工藝有兩個工序，即沉積和成棒。沉積工藝是借助1Kpa的低壓等離子體使注入石英包皮管內(nèi)氣體鹵化物（SiCl,GeCl）44和氧氣，在約1000下直接沉積一層所設(shè)計成份玻璃層，PCVD法每層沉積層厚度約1um，沉積層數(shù)可高達上千層，因此它更適合用于制造精確和復雜波導光纖，例如：帶寬大的梯

35、度型多模光纖和衰減小單模光纖。成棒是將沉積好的石英玻璃棒移至成棒車床上，利用氫氧火焰的高溫作用將其熔縮成實心光纖預制棒，工藝示意圖見5-2-9。PCVD法工藝的優(yōu)點，不用氫氧火焰加熱沉積，沉積溫度低于相應(yīng)的熱反應(yīng)溫度，石英包皮管不易變形；控制性能好，由于氣體電離不受包皮管的熱容量限制，所以微波加熱腔體可以沿石英包皮管作快速往復運動，沉積層厚度可小于1um，從而制備出芯層達上千層以上的接近理想分布的折射率剖面。以獲得寬的帶寬；光纖的幾何特性和光學特性的重復性好，適于批量生產(chǎn)，沉積效率高，對SiCl等材料的沉積效率接近100%，沉積速度快，4有利于降低生產(chǎn)成本。5.2.3.管外化學氣相沉積法管外化

36、學氣相沉積法，簡稱OVD法。于1974年，由美國康寧公司的Kcpron先生等研究發(fā)明，1980年全面投入應(yīng)用的一種光纖預制棒制作工藝技術(shù)。OVD法的反應(yīng)機理為火焰水解，即所需的玻璃組份是通過氫氧焰或甲烷焰水解鹵化物氣體產(chǎn)生“粉塵”逐漸地沉積而獲得，反應(yīng)原理和化學反應(yīng)方程式如下：芯層：SiCl(g)+2HOSiO(s)+4HCl(g)(5-2-14)422GeCl(g)+2HOGeO(s)+4Hcl(g)(5-2-15)422或SiCl(g)+HOSiO(s)+2HCl+Cl(g)4222GeCl(g)+HOGeO(s)+2HCl+Cl(g)4222包層：Sicl(g)+HOSiO+4HCl(5

37、-2-16)4222BCl(g)+3HO32(5-2-17)火焰水解反應(yīng)：BO+6HCl232H+O2(5-2-18)22HO2或CH+2O422HO+CO22（5-2-19）OVD法制造光纖預制棒主要通過沉積和燒結(jié)兩個工藝步驟，其工藝示意圖如圖5-2-10所示。圖5-2-10OVD法工藝示意圖沉積工藝：OVD法的沉積順序恰好與MCVD法相反，它是先沉積芯層，后沉積包層，所用原料完全相同。沉積過程首先需要一根母棒，如母棒用氧化鋁陶瓷或高純石墨制成，則應(yīng)先沉積芯層，后沉積包層，如母棒是一根合成的高純度石英玻璃時，這時只需沉積包層玻璃。首先使一根靶棒在水平玻璃車床上沿縱軸旋轉(zhuǎn)并往復移動，然后，將高

38、純度的原料化合物，如SiCl,GeCl等，通過氫氧焰或甲烷焰火炬噴到靶棒上，高溫下，水解產(chǎn)生的氧化物玻璃44微粒粉塵，沉積在靶棒上，形成多孔質(zhì)母材。在OVD法的化學反應(yīng)中，不僅有從化學試劑系統(tǒng)中輸送來的氣相物質(zhì)，還有火炬中的氣體，而燃料燃燒產(chǎn)生的水也成為反應(yīng)的副產(chǎn)品，而化學氣相物質(zhì)則處于燃燒體中間，水份進入了玻璃體，故稱為火焰水解反應(yīng)。在MCVD工藝中，石英包皮管固定旋轉(zhuǎn)，而氫氧火焰左右移動進行逐層沉積。在OVD工藝中，氫氧火焰固定而靶棒邊旋轉(zhuǎn)邊來回左右移動，進行逐層沉積。正是靶棒沿縱向來回移動，才可以實現(xiàn)一層一層地沉積生成多孔的玻璃體。通過改變每層的摻雜物的種類和摻雜量可以制成不同折射率分布

39、的光纖預制棒。例如：梯度折射率分布，芯層中GeO摻雜量由第一層2開始逐漸減少，直到最后沉積到SiO包層為止。沉積中能熔融成玻璃的摻雜劑很多，除常2用的摻雜劑GeO,PO，BO外，甚至可以使用ZnO,TaO,PbO,AlO等摻雜材料。一旦光2252323523纖芯層和包層的沉積層沉積量滿足要求時（約200層），即達到所設(shè)計的多孔玻璃預制棒的組成尺寸和折射率分布要求，沉積過程即可停止。燒結(jié)工藝：當沉積工序完成后，抽去中心靶棒，將形成的多孔質(zhì)母體送入一高溫燒結(jié)爐內(nèi)，在14001600的高溫下，進行脫水處理，并燒縮成透明的無氣泡的固體玻璃預制棒，這一過程稱為燒結(jié)。在燒結(jié)期間，要不間斷的通入氯氣、氧氣、

40、氮氣和氯化亞砜（SOCl）組成2的干燥氣體，并噴吹多孔預制棒，使殘留水分全部除去。氮氣的作用是滲透到多孔玻璃質(zhì)點內(nèi)部排除預制棒中殘留的氣體，而氯氣和氯化亞砜則用以脫水，除去預制棒中殘留的水分。氯氣、氯化亞砜脫水的實質(zhì)是將多孔玻璃中的OH-置換出來，使產(chǎn)生的SiCl鍵的基本吸收峰在25m附近，遠離石英光纖的工作波長段m。經(jīng)脫水處理后，可使石英玻璃中OH-的含量降低到1PPb左右，保證光纖低損耗性能要求。SOCl,Cl進行脫水處理的原理與化學反應(yīng)方程式如下：22(Si-OH-)+SOCl2(Si-Cl-)+HCl+SO2(5-2-20)HO+SOCl2(5-2-21)2Cl+2HO2222HCl+

41、SO4HCl+O22(5-2-22)在脫水后，經(jīng)高溫作用，松疏的多孔質(zhì)玻璃沉積體被燒結(jié)成致密、透明的光纖預制棒，抽去靶棒時遺留的中心孔也被燒成實心。OVD法的優(yōu)點主要是生產(chǎn)效率高，其沉積速度是MCVD法的10倍，光纖預制棒的尺寸不受母棒限制，尺寸可以做得很大，生產(chǎn)出的大型預制棒一根可重達2-3Kg，甚至更重，可拉制100200Km或更長的光纖，不需要高質(zhì)量的石英管作套管，全部預制棒材料均由沉積工藝生成，棒芯層中OH-的含量很低，可低于，由于沉積是中心對稱，光纖幾何尺寸精度非常高；易制成損減少，強度高的光纖產(chǎn)品；可進行大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低。若采用中心石英靶棒作為種子模，則其可與沉積玻璃層熔為一

42、體，成為芯層的一部分。其缺點是若采用氧化鋁陶瓷或高純石墨作靶棒，在抽去靶棒時，將引起預制棒中心層折射率分布紊亂，而導致光纖傳輸性能的降低?？傊?，OVD法可以用來制造多模光纖，單模光纖，大芯徑高數(shù)值孔徑光纖，單模偏振保持光纖等多種光纖產(chǎn)品。此工藝在國際上已被廣泛應(yīng)用。5.2.4.軸向氣相沉積法軸向氣相沉積法，簡稱VAD法。于1977年，由日本電報電話(NTTLab)公司茨城電氣通信研究所的伊澤立男等人發(fā)明。VAD法的反應(yīng)機理與OVD法相同，也是由火焰水解生成氧化物玻璃。但與OVD法有兩個主要區(qū)別：1.靶棒沉積方向是垂直的，氧化物玻璃沉積在靶棒的下端；2.芯層和層包玻璃同時沉積在靶棒上，預制棒折射

43、率剖面分布型式是通過沉積部位的溫度分布、氫氧火焰的位置和角度、原料飽和蒸氣的氣流密度的控制等多因素來實現(xiàn)的。從工藝原理上而言，VAD法沉積形成的預制棒多孔母材向上提升即可實現(xiàn)脫水、燒結(jié)，甚至進而直接接拉絲成纖工序，所以這種工藝的連續(xù)光纖制造長度可以不受限制，這也是此工藝潛能所在。VAD法光纖預制棒的制備工藝同樣有二個工序：沉積和燒結(jié)。且二個工序是在同一設(shè)備中不同空間同時完成，工藝示意圖如圖5-2-11所示。圖5-2-11軸向氣相沉積法工藝示意圖沉積工序：首先將一根靶棒垂直放置在反應(yīng)爐上方的夾具上，并旋轉(zhuǎn)靶棒底端面接受沉積的部位，用高純氧載氣將形成的玻璃鹵化物(SiCl,GeCl)飽和蒸氣帶至氫

44、氧噴燈和噴嘴入口，在高溫44火焰中水解反應(yīng)，生產(chǎn)玻璃氧化物粉塵SiO-GeO和SiO,并沉積在邊旋轉(zhuǎn)邊提升的靶棒底222部內(nèi)、外表面上，隨著靶棒端部沉積層的逐步形成，旋轉(zhuǎn)的靶棒應(yīng)不斷向上提升，使沉積面始終處于同一個位置。最終沉積生成具有一定機械強度和孔隙率圓柱形的多孔預制棒。整個反應(yīng)必須在反應(yīng)爐中進行，通過保持排氣的恒速來保證氫氧焰的穩(wěn)定。為獲得所設(shè)計的不同芯層和包層的折射率分布，可以通過合理設(shè)計氫氧噴燈的結(jié)構(gòu)、噴燈與靶棒的距離、沉積溫度和同時使用幾個噴燈等措施來實現(xiàn)。例如，在制作單模光纖預制棒時，由于包層很厚(2a=,2b=125um)，可以用三個噴燈火焰同時沉積，一個火焰用于沉積芯層，另外

45、二個用于沉積包層。，在芯層噴燈噴嘴處通入SiCl、GeCl,水解生成SiOGeO玻璃粉塵，而4422在包層噴燈噴嘴處只通入SiCl,水解生成SiO玻璃粉塵，并使它們沉積在相應(yīng)的部位，這樣42可得到滿足折射率要求的光纖預制棒。燒結(jié)工序：隨著沉積的結(jié)束，多孔預制棒沿垂直方向提升到反應(yīng)爐的上部石墨環(huán)狀加熱爐中，充入氯氣Cl,氫氣H，以及氯化亞砜(SOCl)進行脫水處理并燒結(jié)成透明的玻璃光纖預制棒。222VAD法的工藝特點：1.依靠大量的載氣送化學試劑的氣體通過氫氧火焰，大幅度的提高氧化物粉塵(SiO,SiO-GeO)的沉積速度。它的沉積速度是MCVD法的10倍；2222.一次性形成纖芯層和沉積包層的

46、粉塵棒，然后對粉塵棒分段熔融，并通入氫氣、氯氣以及氯化亞砜進行脫水處理并燒結(jié)成透明的預制棒。工序緊湊，簡潔，且潛在發(fā)展很大；3.對制備預制棒所需的環(huán)境潔凈度要求高，適于大批量生產(chǎn)，一根棒可拉數(shù)百公里的連續(xù)光纖4.可制備多模光纖，單模光纖且折射率分布截面上無MCVD法中的中心凹陷，克服了MCVD法對光纖帶寬的限制。5.此工藝程序多，氫氧噴燈采用的多，3-8個，對產(chǎn)品的總成品率有一定的影響，成本是OVD法的倍?？偵纤?，四種氣相沉積的制備方法在本質(zhì)上是十分相似的。表5-2-2列出四種氣相沉積工藝特點。表5-2-2四種氣相沉積工藝的特點方法MCVDPCVDOVDVAD反應(yīng)機理熱源沉積方向沉積速率沉積

47、工藝預制棒尺寸高溫氧化氫氧焰管內(nèi)表面中間歇小低溫氧化等離子體管內(nèi)表面小間歇小火焰水解甲烷或氫氧焰靶棒外徑向大間歇大火焰水解氫氧焰靶同軸向大連續(xù)大折射率分易單模：容布控制容易極易容易多模：稍難原料純度要求嚴格嚴格不嚴格不嚴格現(xiàn)使用廠家(代表)美國阿爾卡特公司荷蘭飛利浦公司美國康寧公司日本住友，日本西古公司，古河等公司天津46所中國武漢長飛公司中國富通公司5.2.5.大棒組合法（或稱二步法）由表5-2-2可知，四種氣相沉積工藝各有優(yōu)劣，技術(shù)均已成熟，但尚有二個方面的問題需要解決：1.必須全力提高單位時間內(nèi)的沉積速度；2.應(yīng)設(shè)法增大光纖預制棒的尺寸，達到一棒拉出數(shù)百乃至數(shù)千公里以上的連續(xù)光纖?；诖?/p>

48、種想法，可以將四種不同的氣相沉積工藝進行不同方式的組合，可以派生出不同的新的預制棒實用制備技術(shù)大棒套管法。所謂大棒套管法意思是指沉積芯層時采用一種方法，然后利用另一種方法沉積包層或外包層，之后將沉積的內(nèi)包層連同芯層一道放入到外包層內(nèi)，在燒結(jié)成一體而成，現(xiàn)擇其一、二說明之。MCVD/OVD法：由于MCVD法的沉積速度慢，而MCVD大棒套管技術(shù)要求的幾何精度非常高，為適應(yīng)大棒法的需求，而開發(fā)出一種用MCVD法沉積制備芯層和內(nèi)包層，用OVD法沉積外包層，實現(xiàn)大尺寸預制棒的制備方法-MCVD/OVD。這種組合的預制棒制備工藝可以避免大套管技術(shù)中存在的同心度誤差的問題，又可以提高沉積速率，因而很有發(fā)展前

49、途。組合氣相沉積法：即HVD法(HybridVaperrDeposition)，是美國Spectram光纖公司在1995年開發(fā)的預制棒制備技術(shù)。它是用VAD法作光纖預制棒的芯層部分，不同處在于水平放置靶棒，氫氧焰在一端進行火焰水解沉積，然后再用OVD法在棒的側(cè)面沉積、制作預制棒的外包層部分。HVD法是將VAD和OVD法兩種工藝巧妙地結(jié)合在一起，工藝效果十分顯著。光纖預制棒的幾種氣相沉積制作方法可以相互貫通，彼此結(jié)合。5.2.6.非氣相沉積技術(shù)雖然利用氣相沉積技術(shù)可制備優(yōu)質(zhì)光纖，但是氣相沉積技術(shù)也存在著不足：原料資源、設(shè)備投入昂貴，工藝復雜，成品合格率較低，玻璃組份范圍窄等。為此，人們經(jīng)不斷的努

50、力研究開發(fā)出一些非氣相沉積技術(shù)來制備SiO光纖預制棒，并取得了一定的成績。25.2.6.1.溶膠-凝膠法在非氣相沉積技術(shù)中，溶膠凝膠法，又稱solGel法，最具發(fā)展前途，最早出現(xiàn)在20世紀60年代初期，是生產(chǎn)玻璃材料的一種工藝方法。當solGel法技術(shù)成熟后，預計可使光纖的生產(chǎn)成本降到1美分/米。因此無論從經(jīng)濟還是從科學技術(shù)觀點都引起了世人極大的興趣，但由于此方法生產(chǎn)的芯層玻璃衰減仍較大，工藝尙不成熟，距商用化還有一定的距離。廣義地講，溶膠凝膠法是指用膠體化學原理實現(xiàn)基材表面改性或獲得基材表面薄膜的一種方法。此方法是以適當?shù)臒o機鹽或有機鹽為原料，經(jīng)過適當?shù)乃饣蚩s聚反應(yīng)，在基材表面膠凝成薄膜，

51、最后經(jīng)干燥、結(jié)燒得到具有一定結(jié)構(gòu)的表面或形狀的制品。溶膠凝膠法制備光纖預制棒的主要工藝生產(chǎn)步驟是首先將酯類化合物或金屬醇鹽溶于有機溶劑中，形成均勻溶液，然后加入其它組分材料，在一定溫度下發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)形成凝膠，最后經(jīng)干燥、熱處理、燒結(jié)制成光纖預制棒。制造步驟可以分為以下幾個階段：（1）配方階段：原料、稀釋劑、摻雜劑和催化劑等根據(jù)重量百分比稱重，混合均勻，如要作成一定形狀的產(chǎn)品，可以把溶膠注入所需要的模具內(nèi)，如管狀或棒狀模具。（2）溶膠-凝膠形成階段溶膠：又稱膠體溶液，是一種分散相尺寸在1010-13米之間的分散系統(tǒng)，粘度一般為幾個泊。凝膠：分為濕膠和干膠，濕膠是由溶膠轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的，當溶膠粘度

52、由幾個泊增加到104泊時就認為是濕膠，又稱凍膠和軟膠，外觀透明或乳白，具有一定形狀，內(nèi)部包含大量液體但無流動性，為半液半固相體系。把濕膠內(nèi)液體除去，就成為干膠，是一種超顯微結(jié)構(gòu)多孔體。膠體特性：其特點很多，影響制造玻璃光纖預制棒產(chǎn)品質(zhì)量的特性有這樣2項：1）溶膠特性：溶膠的配方和溶液的PH值。2）凝膠特性：主要是宏觀密度，由物體重量和外觀體積決定，主要包括：比表面積，平均孔隙尺寸，孔隙分布及孔隙率。催化劑在溶液形成溶膠與凝膠過程中起著決定性的作用，催化劑的使用可分為二類：酸性和堿性。最常用的酸性催化劑是鹽酸，實際使用的酸類也可以是硫酸或硝酸。在沒有酸類物質(zhì)參與反應(yīng)時，金屬醇鹽往往會由于水的存在

53、而起加水分解，生成白色沉淀物，加入酸類物質(zhì)后，立刻可以使其再溶解。H+和OH-是正硅酸乙酯水解反應(yīng)的催化劑，因此水解反應(yīng)隨著溶液的酸度或堿度的增加而加快，縮聚反應(yīng)一般在中性和偏堿性的條件下進行較快，PH值在12范圍，縮聚反應(yīng)特別慢，因此凝膠化時間相對較長，PH時，縮聚反應(yīng)形成的硅氧鍵又重新有溶解的傾向，這也是在高PH值條件下膠凝時間特別長的原因。在酸類物質(zhì)催化的條件下，硅酸單體的慢縮聚反應(yīng)形成的硅氧鍵最終可以得到不甚牢固的多分支網(wǎng)絡(luò)狀凝膠，但由于在此條件下反應(yīng)進行的較慢，因此形成的凝膠結(jié)構(gòu)往往不完善，在老化和干燥過程中可繼續(xù)使凝膠網(wǎng)絡(luò)間的OH-基團脫水形成新的硅氧鍵Si-O-Si，邊緣化學鍵的

54、形成使凝膠的核心結(jié)構(gòu)進一步牢固，同時脫水收縮開始，凝膠的體積減小，一般在老化和干燥前期比較明顯，并逐步趨于平衡。在堿性催化劑條件下，硅酸單體水解迅速凝聚，生成相對致密的膠體顆粒。這些顆粒再相互連接形成網(wǎng)絡(luò)狀的凝膠，這種凝膠縮聚反應(yīng)進行的比較完全，結(jié)構(gòu)比較牢固，在老化和干燥過程中體積基本保持不變。因此在堿性條件下所制得的濕凝膠孔洞尺寸較大，密度較小。（3）水解聚合反應(yīng)階段：即膠化過程，從溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z稱膠化。首先形成濕膠再形成凝膠，一般在室溫下進行，有時也可提高一些溫度以加快膠化速度。膠化過程中包含著水解和聚合兩類化學反應(yīng)。在制備石英系光纖時，采用硅的醇鹽為原料，其水解和聚合的基本反應(yīng)式如下：）

55、完全水解反應(yīng)Si(OR)+HO42（5-2-23）2)不完全水解反應(yīng)Si(OH)+4ROH42Si(OR)4+XHOSi(OH)24.(OH)X+XROH（5-2-24）3)脫水聚合反應(yīng)Si(OR)(OH)x(OR)(OR)X-14-X4)水解聚合反應(yīng)Si-O-Si(OH)(OH)+4ROH（5-2-25）4-XX-12Si(OR)(OH)xSiO(OR)26-2X+2R（OH）（5-2-26）在上述反應(yīng)中應(yīng)注意以下幾個問題：全水解反應(yīng)是水解反應(yīng)速度太快而發(fā)生的，它并不是我們所期望的，因為Si(OH)是一種4沉淀物；聚合反應(yīng)僅發(fā)生在反應(yīng)的初期階段，而脫水聚合反應(yīng)只要在硅的化合物上存在OR根就會

56、連續(xù)的進行，從而形成整體的硅氧網(wǎng)絡(luò)。水解和聚合反應(yīng)幾乎是同時進行的，難以把他們分開研究當有酸堿催化劑存在時，水解反應(yīng)一般被認為是以下面兩種形式進行的：親電子反應(yīng)：(RO)Si(OR)+H+O(RO)Si(OH)+H+HOR333（5-2-27）H+HO2H+O3（5-2-28）親質(zhì)子反應(yīng)：(RO)Si(OR)+OH-(RO)Si(OH)+OR-33（5-2-29）OR-+HO2HOR+OH-（5-2-30）水解反應(yīng)機理尤其是硅醇乙酯水解機理為同位素H18OH所致。水中的氧原子與硅原子進行親核反應(yīng)：(RO)SiOR+H18OH3Si(OR)(OR)+ROH3（5-2-31）在這一反應(yīng)過程中，溶劑

57、的活化效應(yīng)、極性極短和多活潑質(zhì)子的獲取性等因素對水解過程有非常重要的影響，而且在不同的介質(zhì)中反應(yīng)機理也有所差別。在酸催化條件下，主要是HO對OR基團的親電取代反應(yīng)，水解速度快但隨著水解反應(yīng)的進行醇鹽水解活性因為其3分子上-OR基團的減少而下降，很難生成Si（OH）。其縮聚反應(yīng)在水解前，?即Si（OH）44完全轉(zhuǎn)變?yōu)镾i（OH）前已開始，因而縮聚反應(yīng)的交聯(lián)程度低，易形成一維的鏈狀結(jié)構(gòu)。4在堿的催化條件下，水解反應(yīng)主要是OH-對-OR基團的親核取代反應(yīng)，水解速度較酸催化的慢，但醇鹽水解活性隨分子上-OR基團減少而增大，所以4個-OR基團很容易轉(zhuǎn)變?yōu)?OH基團，即容易生成Si（OH）進一步縮聚時便生

58、成高交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水解反應(yīng)是4可逆反應(yīng)，如果在反應(yīng)時排除掉水和醇的共沸物，則可以阻止逆反應(yīng)的進行。如果溶劑的烷基不同于醇鹽的烷基，則會產(chǎn)生轉(zhuǎn)移酯化反應(yīng)：R（OH）+Si（OR）4Si（OR）3（OR）+ROH（5-2-32）（4）干燥階段：一般放在敞開容器內(nèi)，加熱到80110C溫度下進行，在此階段除去大部分的溶膠和物理吸附水，所獲得的干凝膠具有600900m2/g比表面積，宏觀密度為1.6g/cm3（5）熱處理階段：在此階段除去化學結(jié)合的根等部分重金屬雜質(zhì)。此時，升溫速度，保溫溫度，保溫時間和氣氛等參數(shù)都影響最終產(chǎn)品的性能。由于干膠內(nèi)包含有大量的孔隙，具有大的比表面積，并含有大量的OH

59、和OR，因此在干膠進一步熱處理過程中所采用的程序?qū)τ诮档凸饫w內(nèi)OH含量和避免玻璃產(chǎn)品在加溫時是非常關(guān)鍵的。首先他們發(fā)現(xiàn)在300500C溫度范圍存在著有機雜質(zhì)的氧化反應(yīng)，所以，在此階段，如采用保溫并加上充分的氧氣氣氛，可使有機雜質(zhì)氧化分解為氣體產(chǎn)物逸出體外，隨后在500C1000C間，OH-根凝聚成水分揮發(fā)掉，并在1100C時氣孔開始縮小。他們認為此時He氣氛中加熱比較合理。因為He在玻璃內(nèi)有最大擴散率，利于把玻璃內(nèi)的氣泡帶走。但是，當用單純的He氣氛處理和燒結(jié)時，最終玻璃內(nèi)的OH含量最高甚至大于5000ppm，盡量采用較慢的升溫速度有利于降低OH根的含量，但僅僅是量的變化，即使加上其他合理的措

60、施，最終玻璃內(nèi)的OH含量仍保持在600ppm。在這種情況下,得不到低損耗的玻璃預制棒。因此后來采用了Cl處理技術(shù)，降低OH含量，與Cl硅氧網(wǎng)絡(luò)內(nèi)OH能發(fā)生以下反22應(yīng)：Si（OH）+2Cl42SiCl+HO42（5-2-33）在800C下，通入氯氣30分鐘，玻璃內(nèi)的OH含量可降低到ppm量極。OH含量的降低與通入Cl的時間有關(guān)，例如，熱處理溫度在1000C時，氯氣氣氛保溫兩小時，OH含量2為200300ppm，保溫時間延長至7小時，OH含量則小于1ppm。通入氯氣處理，可導致Cl含量過高，這種玻璃材料拉絲時也會發(fā)泡，故需在更高的溫度下，在O氣氛中處理Cl222含量低于%?？上@種影響。（6）