中国粉体网讯 光纤，光导纤维的简称，是用于长距离传输光能或光信号的圆柱形光波导，其结构是由各种导光材料制成的纤维丝。目前通信光纤的主流是石英光纤。作为光纤光缆生产的“源头”，光纤预制棒一直被认为是光纤光缆产业链的核心竞争点。其中芯棒作为光纤导光部分是预制棒的核心，因此是各光纤预制棒生产厂商研究开发的重中之重，但鲜有关于石英套管研究的报道。
光纤制备流程图
（来源：白凤茹：等离子固相外沉积大尺寸石英套管研究）
石英套管的功能
据光纤光缆制备技术国家重点实验室的研究人员介绍，石英套管占光纤的石英材料90％以上的比例，其作为外包层材料与大尺寸掺杂芯棒匹配成光纤预制棒以降低光纤预制棒的生产成本，经拉丝后形成完整的波导结构，可保证光纤的几何尺寸和机械性能，实现光纤的全反射、低损耗并提高传输距离。但是高效低成本的外包层制备技术目前掌控在欧美以及日本的少数几家公司手中，它们垄断了合成石英套管的市场份额。
光纤预制棒用石英套管
（图片来源：久智科技）
大尺寸石英套管生产技术
套管法技术是国内光纤预制棒外包层的主流技术，该技术需要大尺寸石英套管，目前德国Heraeus公司掌握大尺寸石英套管的生产技术，其采用外部气相沉积法(OVD)工艺来进行生产，即以Al2O3作为水平靶棒，将SiCl4与H2/O2混合气体燃烧生产的合成石英微粒逐层沉积在靶棒上，形成大直径疏松体。沉积好的疏松体再把靶棒抽去后，成为空心的疏松体棒，然后在烧结炉内经过脱水和致密化工艺过程形成大尺寸石英套管毛坯，再经冷加工机械加工得到最终产品。
适用于光纤生产的熔融石英管
（图片来源：Heraeus公司）
国内的久智光电子材料科技有限公司以及光纤光缆制备技术国家重点实验室的研究人员，以天然石英粉料为原料，利用等离子固相外沉积方法（PSOD），制备单模光纤预制棒用大尺寸石英套管，产品具有一次成型、羟基含量低、杂质含量少、规格尺寸大(相对于多模套管)及玻璃化程序好等特点，能够满足单模光纤预制棒制备所需。为低衰减光纤开发了一种新型的基础材料和工艺路线，其在下一代超低衰减通信光纤制备中有广阔的应用前景。
合成法与PSOD工艺的对比
合成法制备石英材料的原理是在氢氧焰条件下将SiCl4水解形成玻璃粉体，该反应过程会在石英Si-O网络中产生大量的Si-OH，必须经过脱水工艺才能消除OH引起的光信号吸收峰，再经过烧结工艺形成玻璃体。而PSOD使用等离子火的特点是能量集中、温度高（空气等离子火焰温度＞5000℃），石英砂在等离子体状态下一次熔化成型，粉料的收集率＞70％，远高于合成法。而且电离经过纯化后的空气不会产生-OH，羟基含量经检测在10×10-6左右，通过拉丝验证，能够完全满足光纤的低水峰要求。据中国粉体网编辑的了解，与合成法相比，PSOD工艺沉积效率高，可直接形成玻璃，省去了烧结和脱羟工艺，工艺控制简单，设备维护和环保处理费用低。
等离子固相外沉积(PSOD)工艺过程
PSOD熔制大尺寸石英套管，是以天然石英粉料为原料，以高频等离子体为热源，在中心基础管上逐层沉积熔制而成。据中国粉体网编辑的了解，熔制是在高频电磁场作用下，用氩气进行引弧，引弧后发生无极放电，继而产生高频等离子体，高频等离子体被引燃后再将氩气切换为干燥、洁净的压缩空气，并形成等离子火焰。
合适微量元素含量和粒度分布的石英粉料通过供料系统自动传输到等离子燃烧器附近，经高频等离子燃烧器产生的等离子火焰高温加热熔融，熔融后的石英粉料附着在旋转的中心基础管上。等离子车床带动中心基础管在依据设定的程序，不停地做着纵向、横向及旋转运动，熔融的石英粉料伴随着车床的运动逐层地沉积在中心基础管上，使其直径逐渐增长，进而完成逐层沉积过程，并最终制成一定规格尺寸及精度的大尺寸石英套管毛坯。
PSOD工艺示意图
（来源：白凤茹：等离子固相外沉积大尺寸石英套管研究）
PSOD工艺，采用精细颗粒正态分布的高纯石英砂为原料，利用高频等离子分层熔制，使石英粉料充分玻璃化。由于是无极放电，不存在电极污染，工作气体为干燥洁净的压缩空气，沉积过程中不会引入外界杂质，制各出的大尺寸石英套管纯度高、羟基含量低。
经等离子固相外沉积熔制的大尺寸石英套管毛坯，内、外表面均有不同程度的凹凸，不能直接用于光纤拉丝，需对内、外表面进行进一步机械加工及清洗，以达到所需的尺寸精度及表面光洁度，从而制成大尺寸石英套管。
天然石英砂的性能要求
据中国粉体网编辑的学习了解，在影响光纤衰减的所有因素中，杂质吸收对光纤的衰减影响很大，是指光纤材料中含有的OH-、Cu、Fe、Cr、Mn、Ni等金属离子对光的吸收而造成的损耗。要想控制光纤的衰减，就是要对光纤材料的纯度提出更高的要求，严格控制杂质元素的含量。
PSOD工艺为使用天然石英粉料作为原材料制备光纤预制棒外包层的原料。为减少光纤中杂质吸收引起的损耗，研究人员选取SiO2含量达到99.9991％的石英原料，过渡金属杂质(Cr，Fe，Mn，Ni，Zn)含量小于0.17ppm。该石英粉料的选取可以尽可能地减少光纤成品因杂质吸收而引起的损耗。PSOD工艺制备大尺寸石英套管实验装置还对石英粉料的粒度提出特定的要求，以适应等离子固相外沉积熔制要求。
相对于合成石英玻璃所用材料的微量元素含量，PSOD工艺使用的天然石英粉料的杂质含量相对较高，这也就要求研究者从大尺寸石英套管制备的各个工艺程序上着手，严格进行工艺及环境控制，防止制备过程带入更多的杂质(金属微量元素和水分)，从而降低外包层杂质对光纤各项参数的影响。
小结
以高频等离子为热源，利用等离子固相外沉积方式，熔融天然高纯石英粉料，制备出符合单模光纤预制棒使用的大尺寸石英套管，促进了天然石英砂制备单模光纤预制棒用大套管的快速发展。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进一步进行研究。
参考来源：
白凤茹：等离子固相外沉积大尺寸石英套管研究；北京化工大学2017
杨轶，等：天然石英砂制造通信光纤的研究；光纤光缆制备技术国家重点实验室2015
（中国粉体网编辑整理/平安）
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