CN116462403A - 一种制备大直径芯层预制棒的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备大直径芯层预制棒的装置与方法，属于玻纤预制棒相关技术领域。本发明的装置包括沉积腔体、第一芯灯、包灯、旋转吊杆，通过在第一芯灯在包灯之间再设置一个第二芯灯，以提高芯层外部区域的密度。该方法不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制。本发明所改进的VAD生产工艺，在不增加或者相对少增加包层尺寸的情况下，增大所制备芯棒的芯层部分的尺寸。该方法不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制，同时经拉伸后的芯棒通过OVD或套管方式进行外包，可拉制长度更大的光纤。
Description
技术领域
本发明涉及玻纤预制棒相关技术领域，具体为一种制备大直径芯层预制棒的装置与方法。
背景技术
随着通信技术的迅速发展，光纤在通信中的使用量日益增多，越来越多的光缆生产企业将产业链延伸到光纤拉丝，并进一步延伸到光纤预制棒的生产。
目前光纤预制棒的制造主要采用两步法，即先制造芯棒，然后再在芯棒外沉积包层。芯棒的制造技术主要有四种：美国康宁公司开发的外部气相沉积工艺OVD(OutsideVapor Deposition)、美国贝尔实验室开发的改进的化学气相沉积工艺MCVD(ModifiedChemical VaporDeposition)、日本NTT开发的轴向气相沉积工艺VAD(VaporAxialDeposition)、荷兰飞利浦公司开发的等离子体化学气相沉积工艺PCVD(Plasma ChemicalVaporDeposition)。外包层制造技术主要有：直接外部气相沉积工艺OVD、等离子体外喷涂工艺APVD、套管法。
随着行业竞争的日趋加剧，如何降低光纤预制棒的制造成本成为行业研究的热点。降低光纤预制棒的制造成本主要从以下几个方面着手：①增加预制棒的尺寸；②提高预制棒的合格率，降低报废；③降低原辅材料的成本。本领域内多为一次性制备芯层和包层，MCVD和PCVD工艺由于受衬管尺寸的限制，做大芯棒的尺寸比较困难；VAD和OVD工艺受烧结炉尺寸的限制，芯棒沉积疏松体的尺寸也受到限制，而且芯棒中芯层仅占1/4左右。
针对上述问题，若能提高所做芯棒的芯包比(d芯层/D包层)，即在不增加或者相对少增加包层尺寸的情况下，增大所制备芯棒的芯层部分的尺寸，所制备的芯棒经拉伸后，通过OVD或套管方式进行外包，可拉制更长光纤。因此根据以上设想，本发明提供了一种提升VAD芯棒芯层直径占比的方法。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种制备大直径芯层预制棒的装置，包括：沉积腔体、第一芯灯、第二芯灯、包灯、旋转吊杆，所述第一芯灯、第二芯灯与包灯设置于所述沉积腔体内部的下方，所述旋转吊杆设置于所述沉积腔体的中部上方，所述旋转吊杆进行轴向转动并沿竖直方向上下移动，所述第一芯灯、第二芯灯与包灯同为环状八层喷孔结构，环状八层喷孔结构由内而外依次包括中心喷孔、第一环形喷孔、第二环形喷孔、第三环形喷孔、第四环形喷孔、第五环形喷孔、第六环形喷孔、第七环形喷孔。
优选或可选的，所述装置还包括进风组件和抽风组件，所述进风组件与所述抽风组件均设置于所述沉积腔体的内部；所述进风***相邻设置于所述芯灯的同侧，所述抽风组件远离芯灯设置。
优选或可选的，所述装置还包括控制***，所述控制***用于设置芯灯的气体流量在靶棒末端沉积形成芯层，并控制包灯的气体流量在所述芯层的末端沉积形成包层。
优选或可选的，所述第一芯灯中，
中心喷孔通有预设流量为0.15-0.6slpm的SiCl4气体与预设流量为0.1-0.8slpm的H2；
第一环形喷孔通有预设流量为0.06-0.2slpm的GeCl4与预设流量为3-5.5slpm的H2；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为2-6slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的O2。
优选或可选的，所述第二芯灯中，
中心喷孔不通有任何气体；
第一环形喷孔通有预设流量为1.5-5slpm的H2；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为2-6slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的O2。
优选或可选的，所述包灯中，
中心喷孔通有预设流量为3-7slpm的SiCl4、预设流量为0.8-2.2slpm的O2；
第一环形喷孔通有预设流量为9-12slpm的H2与预设流量为0.2-0.6slpm的CF4；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为28-45slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为3-8slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为90-120slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为3-8slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为30-55slpm的O2。
一种制备大直径芯层预制棒的方法，采用上述任一项所述的制备大直径芯层预制棒的装置，包括以下步骤：
Ⅰ.将清理干净的VAD沉积芯灯、包灯安装在相应的芯灯灯座和包灯灯座上，调节十字激光确定芯灯/包灯安装面，确保安装在芯灯/包灯座上的芯灯/包灯处于同一平面，确保检查芯灯/包灯安装座位置，使其处于基座相对中间位置；
Ⅱ.点燃芯灯和包灯，按照流量设定值向靶棒喷射，水解生成的二氧化硅和二氧化锗开始沉积在靶棒上，随着沉积的持续进行，靶棒下端芯层直径逐渐变大，当芯层直径大于预设值时，靶棒随旋转吊杆匀速提升，直到沉积结束，制得芯棒疏松体；
Ⅲ.将制得的芯棒疏松体经过脱水烧结处理后得到透明芯棒。
优选或可选的，所述芯灯的角度为51°±1°，激光距要求为20mm±2mm，轴线距要求为60mm±5mm；所述包灯角度为38°±1°，激光距要求为120mm±5mm，轴线距要求为160mm±10mm。
采用了上述的装置和工艺后，本发明具有如下有益效果：本发明将VAD工艺中芯灯与待制备的疏松体的中轴线偏离一定的角度，使疏松体螺旋式生长，疏松体的提升速率会变慢，但芯棒的芯层尺寸会增加，从而提高单根芯棒的重量及芯包比。同时，为控制芯棒的密度及均匀性，本发明在第一芯灯在包灯之间再设置一个第二芯灯，以提高芯层外部区域的密度。该方法不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制。本发明所改进的VAD生产工艺，在不增加或者相对少增加包层尺寸的情况下，增大所制备芯棒的芯层部分的尺寸。该方法不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制，同时经拉伸后的芯棒通过OVD或套管方式进行外包，可拉制长度更大的光纤。
附图说明
以下结合附图和具体的实施方式来对本发明进行详细阐述：
图1为本发明实施例2的装置结构示意图；
图2为本发明实施例的芯层沉积状态示意图；
附图标记为沉积腔体1、第一芯灯2、第二芯灯3、包灯4、旋转吊杆5、靶棒6。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术和反应条件者，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或产品说明书进行。凡未注明厂商的试剂、仪器或设备，均可通过市售获得。
本发明提供了一种制备大直径芯层预制棒的装置与方法，将VAD工艺中芯灯与待制备的疏松体的中轴线偏离一定的角度，使疏松体螺旋式生长，疏松体的提升速率会变慢，但芯棒的芯层尺寸会增加，从而提高单根芯棒的重量及芯包比。同时，为控制芯棒的密度及均匀性，在芯灯在包灯之间再设置一个第二芯灯，以提高芯层外部区域的密度，解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制。本发明所改进的生产工艺，在不增加或者相对少增加包层尺寸的情况下，增大所制备芯棒的芯层部分的尺寸。不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制，同时经拉伸后的芯棒通过OVD或套管方式进行外包，可拉制长度更大的光纤。
制备大直径芯层预制棒的方法，包括以下步骤：将清理干净的芯灯、包灯安装在相应的芯灯灯座和包灯灯座后，在旋转吊杆上安装靶棒并置于沉积腔体内，使靶棒旋转，将H2和SiCl4通入芯灯的中心喷孔，H2和GeCl4通入芯灯的第一环形喷孔，隔离气体Ar通入芯灯的第二、第四和第六环形喷孔，助燃气体O2通入芯灯的第三和第七环形喷孔，助燃气体H2通入芯灯的第五喷嘴，并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、GeCl4、O2在火焰中反应产生SiO2、GeO2粉尘，SiO2、GeO2粉尘沉积于靶棒的末端，形成芯层；将H2和SiCl4通入包灯的第一喷嘴，燃烧气体H2通入包灯的第二喷嘴，隔离气体Ar通入包灯的第三、第五和第七喷嘴，助燃气体O2通入包灯的第四和第八喷嘴，助燃气体H2通入包灯的第六喷嘴，并在沉积容腔内点燃产生火焰，气相原料SiCl4、O2在火焰中反应产生SiO2粉尘，SiO2粉尘附着在芯层外周，形成光学包层；在旋转吊杆的升降带动下靶棒逐渐上升，沉积面始终保持在靶棒的末端，使得粉尘在靶棒末端连续沉积形成芯棒的松散体，当松散体达到设定长度时，关闭芯灯，包灯继续往下沉积直到将芯层全部包完为止。
实施例1
本实施例为常规的VAD法制备工艺，将清理干净的芯灯、包灯安装在相应的芯灯灯座和包灯灯座后，在旋转吊杆上安装靶棒并置于沉积腔体内，使靶棒旋转，将H2和SiCl4通入芯灯的中心喷孔，H2和GeCl4通入芯灯的第一环形喷孔，隔离气体Ar通入芯灯的第二、第四和第六环形喷孔，助燃气体O2通入芯灯的第三和第七环形喷孔，助燃气体H2通入芯灯的第五喷嘴，并在沉积容腔内点燃产生火焰。
其中，芯灯中心喷孔通有预设流量为0.25slpm的SiCl4气体与预设流量为0.3slpm的H2气体；第一环形喷孔通有预设流量为0.12slpm的GeCl4与预设流量为4.4slpm的H2气体，第二环形喷孔通有预设流量为3slpm的Ar气体，第三环形喷孔通有预设流量为18slpm的O2气体，第四环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第五环形喷孔通有预设流量为19slpm的H2气体，第六环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第七环形喷孔通有预设流量为20slpm的O2气体。
包灯自内而外各喷孔所通气体及流量设置为：中心喷孔通有预设流量为6slpm的SiCl4气体与预设流量为1.8slpm的O2气体，第一环形喷孔通有预设流量为10.8slpm的H2气体与预设流量为0.44slpm的CF4气体，第二环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第三环形喷孔通有预设流量为35slpm的O2气体，第四环形喷孔通有预设流量为6slpm的Ar气体，第五环形喷孔通有预设流量为100slpm的H2气体，第六环形喷孔通有预设流量为6slpm的Ar气体，第七环形喷孔通有预设流量为45slpm的O2气体。
疏松体的提升速度为1.2mm/min。
通过上述方法，对制得的芯棒疏松体经过脱水烧结处理后，即得到本实施例的透明芯棒。
实施例2
与实施例1相比，本实施例主要改动处为增设了第二芯灯3，并调整芯第一芯灯2的Y轴坐标，向Y轴正方向移动约0.6mm。因将第一芯灯2的Y轴位置向正方向移动，现料焰喷射位置偏移疏松体中轴线，故现疏松体芯层呈螺旋式生长，与实施例1原料的流量相同，但是因芯层螺旋式生长，现有的芯层与实施例1中的芯层直径相比要大，芯层的相对密度要小很多，芯层与包层密度不匹配，会导致后续的烧结工序烧结出的芯棒出现芯层或者芯包间白色未烧透，影响产品的正常生产。因此本实施例在第一芯灯2与包灯之间增设有第二芯灯3，改进后的装置结构示意图如附图1所示。装置包括沉积腔体1、第一芯灯2、第二芯灯3、包灯4、旋转吊杆5、靶棒6、进风组件7和抽风组件8。第一芯灯2、第二芯灯3与包灯4设置于沉积腔体1内部的下方，旋转吊杆5设置于沉积腔体1的中部上方，旋转吊杆5进行轴向转动并沿竖直方向上下移动；靶棒6固定连接于旋转吊杆5的下底端；进风组件7与抽风组件8均设置于沉积腔体1的内部；进风***7相邻设置于第一芯灯2与第二芯灯3的同侧，抽风组件8远离第一芯灯2与第二芯灯3设置。第一芯灯2、第二芯灯3与包灯4同为环状八层喷孔结构，其中第一芯灯2各环形喷孔流量配比如下：中心喷孔通有预设流量为0.25slpm的SiCl4气体与预设流量为0.3slpm的H2气体；第一环形喷孔通有预设流量为0.13slpm的GeCl4与预设流量为4.4slpm的H2气体，第二环形喷孔通有预设流量为3slpm的Ar气体，第三环形喷孔通有预设流量为18slpm的O2气体，第四环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第五环形喷孔通有预设流量为19slpm的H2气体，第六环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第七环形喷孔通有预设流量为20slpm的O2气体。
第二芯灯3要求角度为42°±0.5°，第二芯灯3中心喷孔不通有任何气体，第一环形喷孔通有预设流量为2.1slpm的H2气体，第二环形喷孔通有预设流量为3slpm的Ar气体，第三环形喷孔通有预设流量为8slpm的O2气体，第四环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第五环形喷孔通有预设流量为9slpm的H2气体，第六环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第七环形喷孔通有预设流量为10slpm的O2气体。第二芯灯3作用为提高疏松体芯层以及芯包间的密度，防止芯层与包层密度的不匹配导致烧结后出现的芯层或芯包间白色未烧透的情况。
包灯4自内而外各喷孔所通气体及流量设置为：中心喷孔通有预设流量为6.5slpm的SiCl4气体与预设流量为2slpm的O2气体，第一环形喷孔通有预设流量为11slpm的H2气体与预设流量为0.48slpm的CF4气体，第二环形喷孔通有预设流量为4slpm的Ar气体，第三环形喷孔通有预设流量为35slpm的O2气体，第四环形喷孔通有预设流量为6slpm的Ar气体，第五环形喷孔通有预设流量为104slpm的H2气体，第六环形喷孔通有预设流量为6slpm的Ar气体，第七环形喷孔通有预设流量为45slpm的O2气体。
疏松体的提升速度为1.1mm/min。
通过上述方法，对制得的芯棒疏松体经过脱水烧结处理后，即得到本实施例的透明芯棒。
结果与测试
对实施例制得的透明芯棒进行光学测试，测得的参数如下表所示：
| 芯层直径/mm | 包层直径/mm | 包芯比 | 相对折射率 | 包层折射率 |
| 16.93 | 86.34 | 5.10 | 0.372 | -0.00041 |
| 19 | 95.19 | 5.00 | 0.369 | -0.00042 |
将上表所得参数与附图2的芯层沉积状态示意图结合，不难看出，实施例2制得的透明芯棒，其芯层直径高于实施例1，同时其包芯比、相对折射率与包层折射率与实施例1相比，均未有明显的差异，这表明实施例2在保证光学参数稳定的前提下，提升了芯层的直径。实施例2通过调整第一芯灯、第二芯灯的相对位置以及各喷灯的气体流量配比，在保证芯棒剖面结构不变的情况下，既保证了沉积疏松体的密度分布均匀性，保证烧结芯棒的透明度，又在相对少增加包层尺寸的情况下，增大所制备芯棒的芯层部分的尺寸。该方法不仅解决了烧结炉芯管对芯棒疏松体整体尺寸的限制，同时经拉伸后的芯棒通过OVD或套管方式进行外包，可拉制得到更长的光纤。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (9)
1.一种制备大直径芯层预制棒的装置，包括：沉积腔体、第一芯灯、第二芯灯、包灯、旋转吊杆，其特征在于，所述第一芯灯、第二芯灯与包灯设置于所述沉积腔体内部的下方，所述旋转吊杆设置于所述沉积腔体的中部上方，所述旋转吊杆进行轴向转动并沿竖直方向上下移动，所述第一芯灯、第二芯灯与包灯同为环状八层喷孔结构，环状八层喷孔结构由内而外依次包括中心喷孔、第一环形喷孔、第二环形喷孔、第三环形喷孔、第四环形喷孔、第五环形喷孔、第六环形喷孔、第七环形喷孔。
2.根据权利要求1所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，所述装置还包括靶棒、进风组件和抽风组件；所述靶棒固定连接于所述旋转吊杆的下底端；所述进风组件与所述抽风组件均设置于所述沉积腔体的内部；所述进风***相邻设置于所述第一芯灯、第二芯灯的同侧，所述抽风组件远离第一芯灯、第二芯灯设置。
3.根据权利要求1所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，所述装置还包括控制***，所述控制***用于设置芯灯的气体流量在靶棒末端沉积形成芯层，并控制包灯的气体流量在所述芯层的末端沉积形成包层。
4.根据权利要求1所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，所述第一芯灯中，中心喷孔通有预设流量为0.15-0.6slpm的SiCl4气体与预设流量为0.1-0.8slpm的H2；
第一环形喷孔通有预设流量为0.06-0.2slpm的GeCl4与预设流量为3-5.5slpm的H2；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为2-6slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为17-24slpm的O2。
5.根据权利要求1所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，所述第二芯灯中，
中心喷孔不通有任何气体；
第一环形喷孔通有预设流量为1.5-5slpm的H2；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为2-6slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为5-18slpm的O2。
6.根据权利要求1所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，所述包灯中，
中心喷孔通有预设流量为3-7slpm的SiCl4、预设流量为0.8-2.2slpm的O2；
第一环形喷孔通有预设流量为9-12slpm的H2与预设流量为0.2-0.6slpm的CF4；
第二环形喷孔通有预设流量为2-5slpm的Ar；
第三环形喷孔通有预设流量为28-45slpm的O2；
第四环形喷孔通有预设流量为3-8slpm的Ar；
第五环形喷孔通有预设流量为90-120slpm的H2；
第六环形喷孔通有预设流量为3-8slpm的Ar；
第七环形喷孔通有预设流量为30-55slpm的O2。
7.一种制备大直径芯层预制棒的方法，采用权利要求1～6任一项所述的制备大直径芯层预制棒的装置，其特征在于，包括以下步骤：
Ⅰ.将清理干净的第一芯灯、第二芯灯、包灯安装在相应的芯灯灯座和包灯灯座上，调节十字激光确定第一芯灯、第二芯灯与包灯安装面，确保安装在第一芯灯、第二芯灯与包灯座上的第一芯灯、第二芯灯与包灯处于同一平面，确保灯座位置处于基座相对中间位置；
Ⅱ.点燃芯灯和包灯，按照流量设定值向靶棒喷射，水解生成的二氧化硅和二氧化锗开始沉积在靶棒上，随着沉积的持续进行，靶棒下端芯层直径逐渐变大，当芯层直径大于预设值时，靶棒随旋转吊杆匀速提升，直到沉积结束，制得芯棒疏松体；
Ⅲ.将制得的芯棒疏松体经过脱水烧结处理后得到透明芯棒。
8.根据权利要求7所述的制备大直径芯层预制棒的方法，其特征在于，所述第一芯灯的角度为51°±1°，激光距要求为20mm±2mm，轴线距要求为60mm±5mm；所述包灯角度为38°±1°，激光距要求为120mm±5mm，轴线距要求为160mm±10mm。
9.根据权利要求7所述的制备大直径芯层预制棒的方法，其特征在于，所述第二芯灯的角度为42°±0.5°，激光距要求为60mm±5mm，轴线距要求为90mm±5mm。
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|---|---|---|---|
| CN202310330369.8A CN116462403A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种制备大直径芯层预制棒的装置与方法 |
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