CN114660706B

CN114660706B - 耐高温拉丝塔光栅传感光纤及其制备方法

Info

Publication number: CN114660706B
Application number: CN202210367860.3A
Authority: CN
Inventors: 郭会勇; 陈霡; 李政颖; 范典; 唐健冠; 甘维兵; 姜德生
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-04-08
Also published as: CN114660706A

Abstract

本发明涉及一种耐高温拉丝塔光栅传感光纤及其制备方法，包括以下步骤：(1)对涂有有机物涂层的种子光栅光纤依次进行载氢处理、定点固氢处理和脱氢处理，得到氢化光纤；(2)在保护气氛中，对氢化光纤进行850～950℃的再生碳化处理，得到再生碳化光纤；(3)对再生碳化光纤进行金属涂层涂覆和固化，得到耐高温拉丝塔光栅传感光纤。本发明的耐高温拉丝塔光栅传感光纤可在900～1000℃高温下的工作，在高温再生后再次对光纤进行了金属涂层的涂覆，加强了光纤的机械强度，抗拉强度可达到20～40N。

Description

耐高温拉丝塔光栅传感光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于耐高温光纤光栅领域，具体涉及一种耐高温拉丝塔光栅传感光纤及其制备方法。

背景技术

光纤光栅在热力学和光学中特有的优势使其作为光通信***和光传感***的重要组成部分。高温传感应用领域广泛，多为在工业工程领域应用。如油气井田的温度传感，冶炼厂的高炉，航天发动机的温度监控等。传统的电子类传感器随着温度升高故障率也会增大，长期使用会增加误差，在某些特殊领域甚至会带来生命安全的危险。光纤光栅在传感过程中当被测量改变时，其反射波长也会发生改变。这种本质安全的光信号可以进行远距离的传感传输，故非常适合用于油气开采井田和输送管线等条件下物理参数的传感，然而石油化工等应用领域的高温环境，对光纤光栅的耐温性提出了更高的要求。

传统拉丝塔光纤光栅的耐温性较差，只能在较低温度下稳定工作。而在火力发电厂的加热***、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测；地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等领域，预计光栅会在300℃以上的高温下工作。长期受到300℃热处理后，常规拉丝塔光纤光栅的反射率会大幅度下降，同时，有机涂层在长期高温下也会碳化，机械强度只有原强度的30％左右，不仅影响其长距离的信号输送，也会对使用寿命带来影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种耐高温拉丝塔光栅传感光纤及其制备方法，针对常规拉丝塔光纤光栅的耐温性差以及涂层被破坏导致的机械强度降低问题，实现了拉丝塔光纤光栅在高温(900～1000℃)环境中能使用。

为达到上述技术目的，本发明方法的技术方案是：

包括以下步骤：

(1)对涂有有机物涂层的种子光栅光纤依次进行载氢处理、定点固氢处理和脱氢处理，得到氢化光纤；

(2)在保护气氛中，对氢化光纤进行850～950℃的再生碳化处理，得到再生碳化光纤；

(3)对再生碳化光纤进行金属涂层涂覆和固化，得到耐高温拉丝塔光栅传感光纤。

进一步地，种子光栅光纤为G657抗弯光纤或者30wt％以上的高掺锗光纤；步骤(1)中，有机物涂层为聚酰亚胺涂层；种子光栅光纤中的光栅是通过相位掩模法配置193nm的准分子激光对光纤进行单脉冲曝光写入光栅；步骤(1)中，载氢处理压强为10MPa，载氢时间为6～8天。

进一步地，步骤(1)中，定点固氢处理是对种子光栅光纤中的光栅进行定点加热，加热温度在300～350℃，时间为1～5min。

进一步地，步骤(1)中，脱氢处理是在100℃保温3～7天。

进一步地，步骤(2)的再生碳化处理以及步骤(3)的金属涂层涂覆和固化为连续式处理，光纤的行进速率均为1～2m/min。

进一步地，步骤(2)中，保护气氛为氮气；再生碳化处理是在管式炉中进行，管式炉长度为8～12m。

进一步地，步骤(3)中，按质量百分数计，金属涂层的浆体包括70～85％的金属，5％的树脂，25～10％的有机溶剂；涂敷厚度3～6微米。

进一步地，金属为银或铜，树脂为聚丙烯酸酯，有机溶剂为异丙醇。

进一步地，步骤(3)中，固化是在保护气氛下进行的；固化包括两级固化，其中，一级固化的温度在150～180℃，二级固化的温度在1000℃～1100℃。

本发明传感光纤的技术方案是，耐高温拉丝塔光栅传感光纤中光栅反射率为

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1.本发明在850～950℃高温下进行光栅再生，有机物涂层的碳化是和光栅再生过程同时进行的，节省工序。2.本发明的耐高温拉丝塔光栅可在900～1000℃高温下的工作。3.本发明的耐高温拉丝塔光栅的制备过程中，在高温再生后再次对光纤进行了金属涂层的涂覆，加强了光纤的机械强度，其抗拉强度可达到20～40N。4.本发明的耐高温拉丝塔光栅最终的反射率可达到

可满足不同工况要求。

进一步地，本发明的光栅再生过程与再生后的金属涂层的涂覆以及金属涂层的热固化连续进行，保证了耐高温拉丝塔光栅制备的连续性，避免了在光栅再生后光纤强度降低而导致光纤断裂的发生。

附图说明

图1为本发明的高温拉丝塔再生光栅制备及后续金属涂层涂敷固化装置结构示意图。

图2为本发明的耐高温光纤光栅串的制备流程图。

图3为本发明恒定温度900℃下的高掺锗光栅再生过程。

图4为常温下种子光栅和再生光栅的反射强度对比图。

其中1-光纤，2-管式炉，3-加热丝，4-第一牵引盘，5-涂覆器，6-第一固化炉，7-第二固化炉，8-第二牵引盘，9-光纤盘，10-收线盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对现在拉丝塔光栅载氢后，涂层被破坏导致机械强度降低以及拉丝塔光栅在一些高温环境下难以长期稳定使用的问题，提供了一种连续性的耐高温拉丝塔光栅的制备方法。它不仅工艺简便合理，制作效率高，且制备出来的拉丝塔光栅高温(900～1000℃)环境中能使用。能满足工业生产和实际应用的需要。

本发明装置主要包括种子光栅制作装置、高压载氢釜、固氢装置、脱氢装置、再生装置和涂覆固化装置；其中，种子光栅制作装置包括拉丝塔、刻写光栅装置、涂覆装置和固化装置，具体参考CN201510115832.2。

参见图1，本发明再生装置和涂覆固化装置包括依次设置的光纤盘9、管式炉2、第一牵引盘4、涂覆器5、第一固化炉6、第二固化炉7、第二牵引盘8和收线盘10；管式炉2上设置加热丝3，管式炉2的炉腔前端部设置氮气入口，后端部设置氮气出口，管式炉2的两端设置相对的光纤出入口；第一固化炉6和第二固化炉7并排设置且两端均开设氮气出入口，第一固化炉6的氮气出口和第二固化炉7上的氮气入口相连通；待处理的光纤1通过光纤盘9放线，在氮气保护下穿过管式炉2，经第一牵引盘4进入涂覆器5，在氮气保护下，依次通过第一固化炉6和第二固化炉7，再经第二牵引盘8到达收线盘10，完成光纤光栅的再生和涂覆固化。

可以根据需求将涂覆器5安装于第一固化炉6或第二固化炉7的上方。

管式炉2的长度为8～12m，管式炉2外裹着加热丝3，加热过程中持续通入氮气。

参见图2，本发明方法包括以下步骤：

(1)用种子光栅制作装置制备出涂有聚酰亚胺涂层的种子光栅光纤；

(2)用高压载氢釜对种子光栅光纤进行载氢处理；

(3)在300～350℃的固氢装置中对所制备的种子光栅光纤进行短时间的定点固氢处理；

(4)对固氢处理之后的种子光栅光纤在100℃的温度下保温3～7天进行脱氢处理；

(5)在脱氢处理后，在氮气保护气氛中，对种子光栅光纤进行850～950℃的高温处理再生出耐温光栅，同时聚酰亚胺涂层在高温和保护气氛下完成涂层碳化处理；待高温再生完成后立即对碳化光纤进行金属涂层的涂覆处理，固化生成金属涂层后得到耐高温拉丝塔光栅传感光纤。

步骤(1)中，光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对光纤进行单脉冲曝光写入光栅。聚酰亚胺涂层涂覆的是聚酰亚胺胶，常温下粘度13000～15000mpa.s，分子量50000～60000之间，涂敷厚度4～10微米；固化条件：一级固化120～180℃，二，三级固化250℃～350℃。

步骤(2)中，载氢处理时压强为10MPa，载氢时间为1周左右。

步骤(3)中，300～350℃高温氢固化处理在定点固氢装置中进行，处理时间为1～5min，在此温度下，光纤中载的氢能快速固化。

步骤(4)中，固氢处理之后的种子光栅阵列光纤在100℃的温度下进行脱氢处理，可以降低光纤的氢损。

本发明所用的光纤为G657抗弯光纤或者高掺锗光纤(30wt％以上)。

本发明在850～950℃高温下进行光栅再生的同时，也会伴随着聚酰亚胺涂层的碳化。在载氢光纤经过氢固化和涂层碳化后，会对光纤再进行一次金属涂层的涂覆。

步骤(5)中，本发明在使用管式炉对光纤光栅进行光栅再生时会持续向管式炉中通入氮气。优选地，本发明使用的管式炉长度约10m，光纤在管内的速率为1～2m/min，温度控制在850～950℃。

进一步地，本发明金属涂层涂覆的是金属涂层浆体，按质量百分数计，金属涂层浆体包括70～85％的金属，5％的树脂，25～10％的有机溶剂；涂敷厚度3～6微米；金属为银(950℃下能够长期工作)或铜(1000℃下能够长期工作)，树脂为聚丙烯酸酯，有机溶剂为醇类有机溶剂，优选异丙醇；固化为两级固化，光纤在150～180℃下进行涂敷层脱溶剂，然后在1000℃～1100℃下进行金属的熔融，出炉后冷却成膜，整个涂覆固化过程中会持续通入氮气。用金属涂层材料对光纤进行涂覆，增加了光纤的机械强度。

进一步地，本发明步骤(1)制备出来的种子光栅的反射率为1％-10％。

进一步地，本发明步骤(5)制备出来的耐高温光栅的最终反射率为

本发明耐高温拉丝塔光栅是在完成聚酰亚胺涂层的涂覆之后，再进行载氢的，会提高光纤的光敏性和耐温性。

下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明制备光纤光栅的方法如下：

步骤一：聚酰亚胺涂层光纤光栅串制备

将光纤预制棒装夹于光纤拉丝塔上进行熔融拉丝加工,熔融成纤的裸光纤持续向下延伸,先进行光栅刻写,然后通过聚酰亚胺涂层涂覆,最终收于收线盘。光栅刻写采用相位掩模法配置193nm的准分子激光对裸光纤进行单脉冲曝光写入光栅；曝光与涂覆收线为在线连续进行。所述的准分子激光光路(束)保持直线传输并垂直于裸光纤，所述的193nm准分子激光的脉宽小于或等于10ns。光纤预制棒置于拉丝炉中，其下端熔融后拉锥成丝,通过裸光纤测径仪监测裸光纤直径并实时反馈控制预制棒送料装置及裸光纤的速度，实现裸光纤直径的稳定控制。拉丝加工速度为30m/min。由相位掩模板和193nm激光器构成的刻写光栅装置在向下移动的裸光纤上写入光栅，一个光脉冲写入一个光栅，写入了光栅的裸光纤随后进行涂敷和固化。涂覆之后光纤通过涂覆光纤测径仪监测涂覆光纤直径，控制涂覆层的厚度。涂覆光纤在牵引轮作用下,经过光栅标记装置标上标记后，由牵引装置收集到收线盘上(光栅制作过程参考专利武汉理工大学.一种光纤光栅的制备方法:CN201510115832.2[P].2015-06-03.)。

步骤二：载氢处理

高压载氢处理步骤包括：将带聚酰亚胺涂层的种子光栅光纤置于高压载氢釜中，盖紧载氢釜盖，并且通过气动氢气增压泵把高压氢气注入反应釜内，在载氢釜内10MPa的高压条件下反应1周，完成载氢处理，之后通过氢气排气管排出高压氢气，取出载氢釜内的光纤盘。

步骤三：载氢光纤光栅定点氢固化

高压载氢后的光纤经过300～350℃的管式炉进行局部中高温处理，此过程借助此前在刻写光栅处做的标记对光栅进行定点加热，此过程中氢可以与种子光栅发生化学反应使氢固化在种子光栅里，从而不会扩散溢出，并且定点固化时间很短，在几分钟内完成，此时聚酰亚胺不会碳化，很好的保证了处理后光纤的机械强度，便于后续成缆工艺及布缆施工。

步骤四：光纤光栅脱氢处理

经过局部中高温定点氢固化处理后，将一整根光栅放入烘箱中在100℃进行脱氢处理，持续时间为1周左右，使得多余的氢被烘出来，降低了氢损，从而实现传感光纤更长距离的传感传输。

步骤五：光栅高温再生以及涂层碳化和再涂覆

如图1所示，将光纤固定于分级固化炉的光纤盘中，进行光栅再生之前将持续向固化炉和管式炉中通入氮气。光纤经过850～950℃的管式炉时，由于温度过高，光栅会发生再生，同时聚酰亚胺涂层在氮气保护气氛中碳化。光纤的机械强度因为涂层碳化而大幅度降低，但仍然能承受第一牵引盘的牵引拉力。

光纤经过牵引盘引导到达装有金属涂层浆体的涂覆器，待涂覆完成后经过150～180℃的第一固化炉，进行涂敷层的脱溶剂，然后经过1000～1100℃的第二固化炉，保证温度在金属熔点之上，进行金属的熔融，金属液包裹涂敷到碳涂层表面，出炉后冷却成膜，最后由牵引装置收集到收线盘上，得到本发明所制备的耐高温拉丝塔光栅。

图3为本发明恒定温度900℃下的高掺锗光栅再生过程。从图中可以看出，拉丝塔光栅在900℃恒温下，拉丝塔光栅在0～5min内发生反射强度的降低，5～10min内发生反射强度的升高，拉丝塔光栅的再生过程只需要5～10min左右。

图4可以看到常温下种子光栅和再生光栅的反射强度对比图，可以看到光栅经过再生后，光栅波长向右漂移大概2.5nm，反射强度相差仅在8dB左右。

本发明经过再生和再涂覆固化制得的耐高温拉丝塔光栅的反射率为

可满足不同工况要求。

在材料实验机上进行光纤抗拉强度测试，结果表面本发明的碳化涂层光纤的抗拉强度可达到20-40N，光纤仍然具有良好的抗拉强度。

本发明耐高温拉丝塔光栅的制备方法，包括如下步骤：用拉丝塔制备出涂有聚酰亚胺涂层的种子光栅；用高压载氢釜对种子光栅进行载氢处理；在300～350℃的固氢装置中对所制备的种子光栅进行定点固氢处理；对固氢处理之后的种子光栅阵列光纤在100℃的温度下进行脱氢处理；在脱氢处理后对种子光栅进行850～950℃的高温处理再生出耐温光栅并同时聚酰亚胺涂层在氮气保护气氛中会发生涂层碳化；待高温再生完成后对光纤进行金属涂层的涂覆处理后得到耐高温拉丝塔光栅传感光纤。其中高温光栅再生过程和涂层碳化过程同时进行，并且高温再生过程使用的是管式炉，实现种子光栅的高温再生和涂敷层碳化；后续金属涂敷层的涂覆采用的是多级固化装置。本发明的耐高温拉丝塔再生光栅的反射率在

并且可以在900～1000℃的温度以下稳定工作，整体传感光纤抗拉强度较好，能有效保证后续测温光缆成缆及安装。制备好的光纤能在火力发电厂的加热***、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测；地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对涂有有机物涂层的种子光栅光纤依次进行载氢处理、定点固氢处理和脱氢处理，得到氢化光纤；种子光栅光纤中的光栅是通过相位掩模法配置193 nm的准分子激光对光纤进行单脉冲曝光写入光栅；

（2）在保护气氛中，对氢化光纤进行850~950 ℃的再生碳化处理5~10 min，得到再生碳化光纤；

（3）对再生碳化光纤进行金属涂层涂覆和固化，得到耐高温拉丝塔光栅传感光纤；

步骤（3）中，按质量百分数计，金属涂层的浆体包括70～85%的金属，5%的树脂，25～10%的有机溶剂；涂敷厚度3～6微米。

2.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，所述的种子光栅光纤为G657抗弯光纤或者30wt%以上的高掺锗光纤；步骤（1）中，所述有机物涂层为聚酰亚胺涂层；步骤（1）中，所述的载氢处理压强为10 MPa，载氢时间为6～8天。

3.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的定点固氢处理是对种子光栅光纤中的光栅进行定点加热，加热温度在300~350 ℃，时间为1~5 min。

4.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的脱氢处理是在100 ℃保温3～7天。

5.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，步骤（2）的再生碳化处理以及步骤（3）的金属涂层涂覆和固化为连续式处理，光纤的行进速率均为1～2 m/min。

6.根据权利要求5所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的保护气氛为氮气；所述的再生碳化处理是在管式炉中进行，所述管式炉长度为8～12m。

7.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，所述金属为银或铜，所述树脂为聚丙烯酸酯，所述有机溶剂为异丙醇。

8.根据权利要求1所述的耐高温拉丝塔光栅传感光纤的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，固化是在保护气氛下进行的；固化包括两级固化，其中，一级固化的温度在150～180℃，二级固化的温度在1000℃～1100℃。

9.如权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的耐高温拉丝塔光栅传感光纤，其特征在于，所述耐高温拉丝塔光栅传感光纤中光栅反射率为1%~1‱。