中國粉體網(wǎng)訊  光纖，光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是用于長(zhǎng)距離傳輸光能或光信號(hào)的圓柱形光波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)是由各種導(dǎo)光材料制成的纖維絲。目前通信光纖的主流是石英光纖。作為光纖光纜生產(chǎn)的“源頭”，光纖預(yù)制棒一直被認(rèn)為是光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈的核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。其中芯棒作為光纖導(dǎo)光部分是預(yù)制棒的核心，因此是各光纖預(yù)制棒生產(chǎn)廠商研究開發(fā)的重中之重，但鮮有關(guān)于石英套管研究的報(bào)道。

光纖制備流程圖
（來源：白鳳茹：等離子固相外沉積大尺寸石英套管研究）

石英套管的功能

據(jù)光纖光纜制備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹，石英套管占光纖的石英材料90％以上的比例，其作為外包層材料與大尺寸摻雜芯棒匹配成光纖預(yù)制棒以降低光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)成本，經(jīng)拉絲后形成完整的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可保證光纖的幾何尺寸和機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)光纖的全反射、低損耗并提高傳輸距離。但是高效低成本的外包層制備技術(shù)目前掌控在歐美以及日本的少數(shù)幾家公司手中，它們壟斷了合成石英套管的市場(chǎng)份額。

光纖預(yù)制棒用石英套管
（圖片來源：久智科技）

大尺寸石英套管生產(chǎn)技術(shù)

套管法技術(shù)是國內(nèi)光纖預(yù)制棒外包層的主流技術(shù)，該技術(shù)需要大尺寸石英套管，目前德國Heraeus公司掌握大尺寸石英套管的生產(chǎn)技術(shù)，其采用外部氣相沉積法(OVD)工藝來進(jìn)行生產(chǎn)，即以Al₂O₃作為水平靶棒，將SiCl₄與H₂/O₂混合氣體燃燒生產(chǎn)的合成石英微粒逐層沉積在靶棒上，形成大直徑疏松體。沉積好的疏松體再把靶棒抽去后，成為空心的疏松體棒，然后在燒結(jié)爐內(nèi)經(jīng)過脫水和致密化工藝過程形成大尺寸石英套管毛坯，再經(jīng)冷加工機(jī)械加工得到最終產(chǎn)品。

適用于光纖生產(chǎn)的熔融石英管
（圖片來源：Heraeus公司）

國內(nèi)的久智光電子材料科技有限公司以及光纖光纜制備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，以天然石英粉料為原料，利用等離子固相外沉積方法（PSOD），制備單模光纖預(yù)制棒用大尺寸石英套管，產(chǎn)品具有一次成型、羥基含量低、雜質(zhì)含量少、規(guī)格尺寸大(相對(duì)于多模套管)及玻璃化程序好等特點(diǎn)，能夠滿足單模光纖預(yù)制棒制備所需。為低衰減光纖開發(fā)了一種新型的基礎(chǔ)材料和工藝路線，其在下一代超低衰減通信光纖制備中有廣闊的應(yīng)用前景。

合成法與PSOD工藝的對(duì)比

合成法制備石英材料的原理是在氫氧焰條件下將SiCl4水解形成玻璃粉體，該反應(yīng)過程會(huì)在石英Si-O網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的Si-OH，必須經(jīng)過脫水工藝才能消除OH引起的光信號(hào)吸收峰，再經(jīng)過燒結(jié)工藝形成玻璃體。而PSOD使用等離子火的特點(diǎn)是能量集中、溫度高（空氣等離子火焰溫度＞5000℃），石英砂在等離子體狀態(tài)下一次熔化成型，粉料的收集率＞70％，遠(yuǎn)高于合成法。而且電離經(jīng)過純化后的空氣不會(huì)產(chǎn)生-OH，羥基含量經(jīng)檢測(cè)在10×10^-6左右，通過拉絲驗(yàn)證，能夠完全滿足光纖的低水峰要求。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，與合成法相比，PSOD工藝沉積效率高，可直接形成玻璃，省去了燒結(jié)和脫羥工藝，工藝控制簡(jiǎn)單，設(shè)備維護(hù)和環(huán)保處理費(fèi)用低。

等離子固相外沉積(PSOD)工藝過程

PSOD熔制大尺寸石英套管，是以天然石英粉料為原料，以高頻等離子體為熱源，在中心基礎(chǔ)管上逐層沉積熔制而成。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，熔制是在高頻電磁場(chǎng)作用下，用氬氣進(jìn)行引弧，引弧后發(fā)生無極放電，繼而產(chǎn)生高頻等離子體，高頻等離子體被引燃后再將氬氣切換為干燥、潔凈的壓縮空氣，并形成等離子火焰。

合適微量元素含量和粒度分布的石英粉料通過供料系統(tǒng)自動(dòng)傳輸?shù)降入x子燃燒器附近，經(jīng)高頻等離子燃燒器產(chǎn)生的等離子火焰高溫加熱熔融，熔融后的石英粉料附著在旋轉(zhuǎn)的中心基礎(chǔ)管上。等離子車床帶動(dòng)中心基礎(chǔ)管在依據(jù)設(shè)定的程序，不停地做著縱向、橫向及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，熔融的石英粉料伴隨著車床的運(yùn)動(dòng)逐層地沉積在中心基礎(chǔ)管上，使其直徑逐漸增長(zhǎng)，進(jìn)而完成逐層沉積過程，并最終制成一定規(guī)格尺寸及精度的大尺寸石英套管毛坯。

PSOD工藝示意圖
（來源：白鳳茹：等離子固相外沉積大尺寸石英套管研究）

PSOD工藝，采用精細(xì)顆粒正態(tài)分布的高純石英砂為原料，利用高頻等離子分層熔制，使石英粉料充分玻璃化。由于是無極放電，不存在電極污染，工作氣體為干燥潔凈的壓縮空氣，沉積過程中不會(huì)引入外界雜質(zhì)，制各出的大尺寸石英套管純度高、羥基含量低。

經(jīng)等離子固相外沉積熔制的大尺寸石英套管毛坯，內(nèi)、外表面均有不同程度的凹凸，不能直接用于光纖拉絲，需對(duì)內(nèi)、外表面進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)械加工及清洗，以達(dá)到所需的尺寸精度及表面光潔度，從而制成大尺寸石英套管。

天然石英砂的性能要求

據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的學(xué)習(xí)了解，在影響光纖衰減的所有因素中，雜質(zhì)吸收對(duì)光纖的衰減影響很大，是指光纖材料中含有的OH-、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni等金屬離子對(duì)光的吸收而造成的損耗。要想控制光纖的衰減，就是要對(duì)光纖材料的純度提出更高的要求，嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的含量。

PSOD工藝為使用天然石英粉料作為原材料制備光纖預(yù)制棒外包層的原料。為減少光纖中雜質(zhì)吸收引起的損耗，研究人員選取SiO₂含量達(dá)到99.9991％的石英原料，過渡金屬雜質(zhì)(Cr，F(xiàn)e，Mn，Ni，Zn)含量小于0.17ppm。該石英粉料的選取可以盡可能地減少光纖成品因雜質(zhì)吸收而引起的損耗。PSOD工藝制備大尺寸石英套管實(shí)驗(yàn)裝置還對(duì)石英粉料的粒度提出特定的要求，以適應(yīng)等離子固相外沉積熔制要求。

相對(duì)于合成石英玻璃所用材料的微量元素含量，PSOD工藝使用的天然石英粉料的雜質(zhì)含量相對(duì)較高，這也就要求研究者從大尺寸石英套管制備的各個(gè)工藝程序上著手，嚴(yán)格進(jìn)行工藝及環(huán)境控制，防止制備過程帶入更多的雜質(zhì)(金屬微量元素和水分)，從而降低外包層雜質(zhì)對(duì)光纖各項(xiàng)參數(shù)的影響。

小結(jié)

以高頻等離子為熱源，利用等離子固相外沉積方式，熔融天然高純石英粉料，制備出符合單模光纖預(yù)制棒使用的大尺寸石英套管，促進(jìn)了天然石英砂制備單模光纖預(yù)制棒用大套管的快速發(fā)展。今后，石英原料的粒度分布及微量元素含量要求等大量的工作仍需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

參考來源：

白鳳茹：等離子固相外沉積大尺寸石英套管研究；北京化工大學(xué)2017

楊軼，等：天然石英砂制造通信光纖的研究；光纖光纜制備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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