一種艙外耐輻照光纜及其制作方法與流程

本發(fā)明屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，具體講是一種可滿足低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應(yīng)用要求，直接暴露于航天器艙外，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的艙外耐輻照光纜及其制作方法。

背景技術(shù)：
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隨著光纖通信技術(shù)在航天領(lǐng)域的深入應(yīng)用，光纖作為一種實(shí)現(xiàn)航天器高速組網(wǎng)或大容量信息傳輸?shù)拿劫|(zhì)，其應(yīng)用領(lǐng)域從艙內(nèi)逐步拓展到艙外甚至深空更為復(fù)雜和惡劣的環(huán)境。艙外光纜直接暴露于艙外高度真空、大劑量輻照、寬溫變等條件下，為適應(yīng)惡劣工況，在光纜設(shè)計(jì)和制作中對(duì)成纜材料有特殊要求，可供選擇的原材料范圍較窄，成纜工藝也較為特殊。

艙外光纜為國(guó)內(nèi)首次提出并制作，其技術(shù)途徑多采用涂覆或直接擠塑的方式。涂覆方式是指在光纖外直接涂覆一層一定厚度的耐寬溫變硅樹脂，后續(xù)可采取氟緩沖包覆等其它方式，然后纖維增強(qiáng)后再制作一層氟外護(hù)套。直接擠塑方式是指在抗高輻照光纖外直接氟塑料緊包或松套緩沖。

采用耐寬溫變硅樹脂涂覆結(jié)合氟緊包的緩沖方式，這種技術(shù)途徑需將光纖進(jìn)行多次涂覆固化，且所用涂層在航天真空環(huán)境中易引起持續(xù)釋氣，造成精密光學(xué)設(shè)備表面污染。同時(shí)由于所用光纖涂層模量較低，光纜整體偏柔軟，氟塑料會(huì)在艙外快溫變下持續(xù)老化、收縮，加速引起光纜變形，微彎損耗增加，長(zhǎng)壽命難以保證。

直接采用氟塑料緩沖的方式，工序相對(duì)較少，成型工藝簡(jiǎn)單，一般直接采取高溫?cái)D塑成型的方式，但在長(zhǎng)期極端高低溫條件下，特別是玻璃化溫度以下，光纜結(jié)構(gòu)整體若設(shè)計(jì)不合理則會(huì)引起變形扭曲，這主要是因?yàn)榫酆衔锏呐蛎浵禂?shù)一般是玻璃的10～1000倍，膨脹系數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致在低溫下的光纖受到應(yīng)力。在高溫時(shí)，聚合物分子鏈活動(dòng)增加，內(nèi)應(yīng)力會(huì)得到釋放。如果聚合物緩沖層保持在接近或高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，應(yīng)力松弛會(huì)產(chǎn)生。對(duì)于較大長(zhǎng)度的緊包緩沖型光纜，若后續(xù)成纜中材料、結(jié)構(gòu)和工藝處理不當(dāng)，則在長(zhǎng)期高低溫交變下其 軸向應(yīng)力層如擠塑緩沖層，軸向收縮會(huì)產(chǎn)生，這將會(huì)增加光纖使用時(shí)的壓縮應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)在-100℃～100℃極端快溫變下經(jīng)過一定周期的溫度老化，會(huì)引起光纜損耗急劇增加。若采用松套緩沖，光纖余長(zhǎng)難以控制，同樣會(huì)帶來后續(xù)微彎損耗持續(xù)增加的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種可滿足低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應(yīng)用要求，直接暴露于航天器艙外，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的艙外耐輻照光纜及其制作方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的艙外耐輻照光纜，包括光纖以及依次包覆在光纖上的耐高低溫涂層、耐高低溫氟緩沖層、增強(qiáng)纖維層和耐高低溫氟外護(hù)層，其中，耐高低溫涂層與耐高低溫氟緩沖層之間還有一層與光纖特性匹配的低膨脹系數(shù)緩沖層，增強(qiáng)纖維層由低收縮高強(qiáng)高模非金屬連續(xù)增強(qiáng)纖維編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，低膨脹系數(shù)緩沖層和耐高低溫氟緩沖層的單邊壁厚均可為0.2mm～0.3mm。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，低膨脹系數(shù)緩沖層可為膨體氟化物、發(fā)泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一種。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，增強(qiáng)纖維層中的纖維可為聚酰亞胺纖維、改性芳綸纖維或特種玻璃纖維中的任一種。本發(fā)明中的增強(qiáng)纖維保證高強(qiáng)高模特性的同時(shí)，具有一定的剛性和低伸長(zhǎng)率、低收縮率，且纖維表面摩擦系數(shù)相對(duì)較大，與其它高強(qiáng)高模纖維對(duì)比能有效克服外護(hù)套收縮問題。纖維經(jīng)適當(dāng)?shù)木幙椆?jié)距成型后，可以保證光纜在高低溫溫度交變時(shí)，光纜兩端處材料伸長(zhǎng)降低，這樣則有效保證光纜后續(xù)制作接頭時(shí)，不會(huì)發(fā)生高低溫后端面伸出彎折引起光損耗增加或光纖斷裂的問題。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，耐高低溫氟緩沖層和耐高低溫氟外護(hù)層均可采用PFA、FEP或ETFE中的任一種。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，光纖可為特殊摻雜抗高輻照光纖，光纖可采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，耐高低溫涂層可為丙烯酸聚酯、聚 酰亞胺或耐高低溫硅樹脂中的任一種。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，光纖可采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。

另外，本發(fā)明還提供了一種艙外耐輻照光纜的制作方法，該制作方法包括以下步驟：

①、首先在光纖上涂覆耐高低溫涂層；

②、接著在耐高低溫涂層上擠塑一層與光纖)特性匹配的低膨脹系數(shù)緩沖層；

③、然后在低膨脹系數(shù)緩沖層上擠塑一層耐高低溫氟緩沖層；

④、接著在耐高低溫氟緩沖層外通過多股編織方式，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)纖維層(5)；

⑤、最后在增強(qiáng)纖維層外擠制一層耐高低溫氟外護(hù)層，形成成品光纜。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的艙外耐輻照光纜的制作方法，其中，低膨脹系數(shù)緩沖層可為剛性低膨脹系數(shù)材料，低膨脹系數(shù)緩沖層需經(jīng)過280℃～320℃熔融高溫定向拉伸和真空緊包后，形成單邊厚度0.2mm～0.3mm的具有剛性的緊包層，耐高低溫氟緩沖層同樣通過280℃～320℃熔融高溫?cái)D塑而成且單邊壁厚為0.2mm～0.3mm，實(shí)現(xiàn)兩層緩沖層工藝溫度匹配，并通過熱、冷水冷卻的方式將兩層有效結(jié)合在一起，形成柔韌性較好的復(fù)合光單元。

采用以上結(jié)構(gòu)及方法后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明在耐高低溫涂層與耐高低溫氟緩沖層之間引入一層膨脹系數(shù)匹配的剛性相對(duì)較強(qiáng)的緩沖層，并在該緩沖層上再擠塑一層柔性氟緩沖層，形成韌性較好的復(fù)合緩沖光單元，光纖所受應(yīng)力極小，提升了光纜整體的韌性，避免高低溫下變形，同時(shí)這種緩沖層可以極好的降低極端快溫變對(duì)光纖產(chǎn)生的應(yīng)力，降低微彎損耗。另外，由低收縮高強(qiáng)高模非金屬連續(xù)增強(qiáng)纖維編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)纖維層可有效降低光纜在高低溫下的收縮效應(yīng)，降低后續(xù)光纜應(yīng)用中熱預(yù)處理的周期，成型后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到有效保證。本發(fā)明通過采用復(fù)合緩沖、纖維增強(qiáng)、外護(hù)層擠塑的方式形成一個(gè)圓整的結(jié)構(gòu)，確保復(fù)合緩沖層耐極端快溫變性能，而外護(hù)層和低收縮增強(qiáng)層很好的保護(hù)了光單元不受機(jī)械應(yīng)力的損傷，降低光纜整體熱收縮變形。綜上所述，本發(fā)明滿足了低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應(yīng)用要求，可直接暴露于航天器艙外，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的功能。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明一種艙外耐輻照光纜的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種艙外耐輻照光纜的制作工藝流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種艙外耐輻照光纜及其制作方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明一種艙外耐輻照光纜包括包括光纖1以及依次包覆在光纖1上的耐高低溫涂層2、耐高低溫氟緩沖層4、增強(qiáng)纖維層5和耐高低溫氟外護(hù)層6，耐高低溫涂層2與耐高低溫氟緩沖層4之間還有一層與光纖1特性匹配的具有一定剛性的低膨脹系數(shù)緩沖層3，增強(qiáng)纖維層5由低收縮高強(qiáng)高模非金屬連續(xù)增強(qiáng)纖維編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，低膨脹系數(shù)緩沖層3和柔性相對(duì)較好的耐高低溫氟緩沖層4組成復(fù)合緩沖層。本發(fā)明中的低膨脹系數(shù)緩沖層3由膨體氟化物、發(fā)泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一種擠塑而成，耐高低溫氟緩沖層4和耐高低溫氟外護(hù)層6均采用PFA、FEP或ETFE中的任一種，耐高低溫涂層2為丙烯酸聚酯、聚酰亞胺或耐高低溫硅樹脂中的任一種。

復(fù)合緩沖層直接起到降低光纖在寬溫變下所受應(yīng)力大小及光傳輸?shù)姆€(wěn)定性，傳統(tǒng)緩沖層為降低光纖溫度應(yīng)力，多采取單一柔性層，起到應(yīng)力緩沖和釋放的作用，但這種結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)寬溫變的要求，長(zhǎng)期往復(fù)循環(huán)下柔性緩沖層應(yīng)力會(huì)積累，引起結(jié)構(gòu)變形，逐步破壞光纖的傳輸性能。為避免結(jié)構(gòu)松弛、材料老化引起的應(yīng)力疊加，以及光纜在應(yīng)力情況下輻照會(huì)加劇機(jī)械性能劣化。本發(fā)明采用由低膨脹系數(shù)緩沖層3和耐高低溫氟緩沖層4組成的獨(dú)特的復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)，從而起到剛?cè)岵?jì)的效果。剛性緩沖層即低膨脹系數(shù)緩沖層3在高低溫下極為穩(wěn)定，可直接抵消其余柔性層的應(yīng)力，保證光纜在高低溫沖擊時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的承受能力和穩(wěn)定性，應(yīng)力傳遞不到核心傳輸元件光纖上。柔性二次緩沖層即耐高低溫氟緩沖層4又可對(duì)剛性層起到良好的柔性緩沖作用，保證復(fù)合緩沖層整體的柔韌性和彎曲特性，提升光纜整體的彎曲能力，使得光纜整體在小彎曲半徑下可靠應(yīng)用。此外，通過在擠制一層薄壁柔性外護(hù)套，保證光纜結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)穩(wěn)定。上述結(jié)構(gòu)可良好的適應(yīng)艙外環(huán)境。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)高輻照條件下光信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，在光纖1設(shè)計(jì)上采用了一種可與普通單 模光纖兼容的新型耐高溫抗高輻照光纖，光纖1為特殊摻雜抗高輻照光纖，光纖1采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。摻雜元素的引入減少低能量狀態(tài)的缺陷結(jié)構(gòu)的斷網(wǎng)幾率，缺陷濃度下降。適量摻雜元素能使被破壞的網(wǎng)絡(luò)修復(fù)，保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，在輻照衰減中主要表現(xiàn)為感生損耗穩(wěn)定。在高輻照劑量下，輻照能量會(huì)引起光纜材料化學(xué)鍵的斷裂，引起材料的強(qiáng)度和延伸特性發(fā)生劣化，甚至造成開裂。本發(fā)明艙外耐輻照光纜所用其它成纜材料均具有良好的抗18Mrad(Si)以上總劑量的能力，且材料本身耐受余量較大。

耐輻照光纜因受原材料本身特性限制，可用于宇航環(huán)境的光纜材料多具有抗輻照、耐高低溫的特點(diǎn)，但這些材料在長(zhǎng)期高低溫老化條件下會(huì)因光纜各層結(jié)構(gòu)之間的收縮特性差異，引起光纜各層之間相對(duì)收縮。若收縮過大，短期可能引起鏈路衰減增加，長(zhǎng)期則會(huì)引起光纜與后續(xù)固定接頭之間變形、脫離甚至失效。為保證光纜在長(zhǎng)期高低溫下的應(yīng)用穩(wěn)定，本發(fā)明艙外耐輻照光纜采用低收縮高強(qiáng)高模非金屬連續(xù)增強(qiáng)纖維，這種低收縮高強(qiáng)高模非金屬連續(xù)增強(qiáng)纖維為聚酰亞胺纖維、改性芳綸纖維或特種玻璃纖維中的任一種。這種纖維剛性較強(qiáng)且表面摩擦系數(shù)相對(duì)較大，同時(shí)作為增強(qiáng)層可與復(fù)合緩沖層、外護(hù)層之間的相對(duì)位移降低，相對(duì)變化減小，從而降低光纜整體的收縮。此外，所用低收縮纖維與光纜其它層之間熱學(xué)特性匹配，在高低溫狀態(tài)下可保證光纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

艙外-100℃～100℃極端快溫變下，高低溫交變次數(shù)達(dá)6萬(wàn)次以上，且快溫交變周期僅為1個(gè)半小時(shí)左右。長(zhǎng)期快溫變使得光纜所用材料低溫收縮和模量增加，造成光纖出現(xiàn)微彎現(xiàn)象，引起損耗增加。高低溫往復(fù)循環(huán)、極低溫度、高溫下長(zhǎng)期工作都會(huì)引起光纜護(hù)套料及光纖涂層料發(fā)生疲勞效應(yīng)，材料發(fā)生脆化、引起護(hù)套層開裂，導(dǎo)致光纜失效。為解決艙外耐-100℃～100℃極端快溫變問題，本發(fā)明通過優(yōu)化選用耐寬溫變性能優(yōu)異的原材料，其溫度范圍均可滿足-100℃～100℃的要求，且光纜材料在該溫度下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定。所選增強(qiáng)纖維材料熱收縮穩(wěn)定性好，且具有一定的剛性，與其它柔性材料會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形，而纖維的剛性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保證纜芯內(nèi)應(yīng)力相互沖消，可有效緩沖應(yīng)力及形變，保證光纜結(jié)構(gòu)在高低溫下的穩(wěn)定性。

本發(fā)明中緩沖層的厚度是非常講究的，為適應(yīng)艙外輻照環(huán)境，選用的抗高輻照光纖經(jīng)過特殊摻雜，滿足了艙外輻照下傳輸損耗的要求，但光纖本身對(duì)彎曲和壓力等應(yīng)力較為敏感， 這本身就是一種性能的平衡和取舍。經(jīng)過大量驗(yàn)證，低膨脹系數(shù)緩沖層和氟緩沖層厚度較薄時(shí)，高低溫下材料收縮應(yīng)力小且損耗較低，緩沖層柔韌性有一定提升，但抗壓力等機(jī)械特性較差，雖然應(yīng)用時(shí)光纜長(zhǎng)度較短，但光纜不能滿足自身標(biāo)準(zhǔn)要求；低膨脹系數(shù)緩沖層厚度較薄，氟緩沖層厚度較厚時(shí)，雖然抗壓力等機(jī)械特性有提升，緩沖層柔韌性提升較高，但高低溫下氟材料收縮應(yīng)力大且損耗較高，這對(duì)光纜的關(guān)鍵傳輸性能影響就較大；低膨脹系數(shù)緩沖層厚度增加，氟緩沖層具有一定厚度時(shí)，不僅抗壓力等機(jī)械特性有提升，緩沖層柔韌性提升較高，且極端高低溫下光纜的傳輸性能不會(huì)受到影響。本發(fā)明通過兩層緩沖層之間厚度設(shè)計(jì)及機(jī)械和高低溫適應(yīng)性驗(yàn)證，最終確認(rèn)低膨脹系數(shù)緩沖層3和耐高低溫氟緩沖層4的單邊壁厚均選擇為0.2mm～0.3mm。

如圖2所示，本發(fā)明一種艙外抗高輻照光纜的制作方法采用了以下五道工序：

①、首先在光纖1上涂覆一定厚度的耐高低溫涂層2；

②、接著在耐高低溫涂層2上擠塑一層與光纖1特性匹配的低膨脹系數(shù)緩沖層3；

③、然后在低膨脹系數(shù)緩沖層3上再擠塑一層耐高低溫氟緩沖層4，從而形成復(fù)合緩沖層；

④、接著在耐高低溫氟緩沖層4外通過多股編織方式，將高強(qiáng)高模、低收縮紗線均勻致密的纏繞在復(fù)合緩沖層的四周，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)纖維層5；

⑤、最后通過高溫外護(hù)層擠塑方式在增強(qiáng)纖維層5外擠制一層耐高低溫氟外護(hù)層6，完成光纜的研制。

在上述流程中，低膨脹系數(shù)緩沖層3為剛性低膨脹系數(shù)材料，低膨脹系數(shù)緩沖層2需經(jīng)過280℃～320℃熔融高溫定向拉伸和真空緊包后，形成單邊厚度0.2mm～0.3mm的具有剛性的緊包層。這種剛性緩沖層有別于傳統(tǒng)高溫?cái)D塑柔性緩沖層，剛性緩沖時(shí)高低溫條件下光纜其它材料收縮等應(yīng)力會(huì)由剛性層直接承受，難以傳遞至光纖，而傳統(tǒng)柔性緩沖層則是高低溫下材料應(yīng)力被逐漸吸收和緩沖，應(yīng)力在一定范圍內(nèi)可以消除。此外，經(jīng)過真空緊包，有效改善緊包層易折的問題。氟緩沖層可以有效改善第一層剛性緩沖層帶來的不耐磨、易開裂問題，因此，本發(fā)明中的耐高低溫氟緩沖層4同樣需要通過280℃～320℃熔融高溫?cái)D塑而成且單邊壁厚為0.2mm～0.3mm，實(shí)現(xiàn)兩層緩沖層工藝溫度匹配，并通過熱、冷水冷卻的方式將兩層有 效結(jié)合在一起，形成柔韌性較好的復(fù)合光單元，克服第一層緩沖層的韌性差、易折的缺陷。

本發(fā)明通過獨(dú)特的復(fù)合緩沖光單元和低收縮高強(qiáng)高模纖維增強(qiáng)方式，優(yōu)化選用光纖一次、二次緩沖層和增強(qiáng)纖維，與光纖涂層和外護(hù)套材料等材料匹配，通過二次復(fù)合緩沖、纖維編織增強(qiáng)、薄壁氟外護(hù)層擠塑等技術(shù)途徑，以及合理緩沖外徑、增強(qiáng)節(jié)距等工藝參數(shù)控制，使得抗高輻照光纖在艙外極端快溫變下的附加損耗較低且穩(wěn)定性得到有效控制。此種結(jié)構(gòu)制作的艙外光纜有效降低光纖在艙外惡劣環(huán)境下受到的應(yīng)力，保證光纖在寬溫變、高輻照劑量、小彎曲半徑等條件下具有較低的和穩(wěn)定的傳輸損耗。

本發(fā)明一種艙外耐輻照光纜具有衰減常數(shù)低(α_1310nm≤0.5dB/km、α_1550nm≤0.25dB/km)、抗高輻照(≥18Mrad(Si))、耐寬溫變(-100℃～100℃)、低收縮外徑細(xì)(≤2mm)以及彎曲性能好(彎曲半徑≤50mm)等優(yōu)點(diǎn)，且滿足中子輻照、熱真空、真空釋氣和材料毒性等艙外宇航應(yīng)用條件。

以上所述的實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。