光纜結(jié)構(gòu)及工藝的發(fā)展

　　一、通信光纖起源于PPB級的超凈材料

　　1960年，梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器產(chǎn)生單色相干光使利用光調(diào)制進行通信成為可能。后來利用氦氖激光器通過大氣傳輸一路彩色電視。但大氣運輸受到氣候變化溫度不均等嚴重干擾又必須使收發(fā)兩端直線可見在地球上實在不太方便。它卻在星際空間通信測量，顯示了優(yōu)勢。

　　1966年，英籍華人高錕（C.K.Kao）和Hockham預(yù)見利用純凈的玻璃可以制成衰減減小于20dB/km的通信光導纖維（簡稱光纖）。當時無人相信德國的光學權(quán)威認為它是空想。

　　但當時在Bell實驗室主席深知高純度二氧化硅的人工合成石英可利用當時集成電路基材的超純的硅系試劑來制得。在康寧公司與英國電話研究所的合作下，利用PPb級的Sicl4等試劑于1970年首次試制成衰減小于20dB/km的石英光纖。開啟了光纖通信時代的大門，為知識經(jīng)濟時代的通信網(wǎng)絡(luò)找到了一種可以足足用上半個世紀以上的新型通信線材。

　　37年后在遙遠的東方，在中國又在重新熱烈討論如何利用天然氣，空分的“尾氣”來籌建超凈光纖材料生產(chǎn)基地事宜，真可稱為歷史神奇的螺旋上升的奇跡。所幸的是經(jīng)過30多年的探索，我國光纖光纜工作已回歸認識到光纖原材料的重要性，江南xx公司已于西南以高新開發(fā)區(qū)還簽訂了協(xié)議共同打造世界級光纖材料生產(chǎn)基地。讓我們預(yù)祝他們合作成功，為國爭光。

　　光纜的發(fā)展同樣起源于新材料的應(yīng)用。盡管光纜的發(fā)展初期借鑒的應(yīng)用了許多通信電纜的材料，但至今已全套更新移植到80年代后新開發(fā)的光纜專用材料，無論是光纖的UV一次被覆涂料，光纖觸變型油膏，PBT二次被覆料，不銹鋼二次被覆料，玻璃鋼的無金屬加強芯……甚至是鋼塑復合帶，今天都是為光纜“量身定做”的專用料。離開了它們光纜無法制造。

　　二、光纜結(jié)構(gòu)及工藝的發(fā)展

　　按高級漢語詞典通俗的解釋：

　　“光纜OpticalfiberCable是由許多根經(jīng)過技術(shù)處理的光學纖維組合而成的纜，用來傳送光信號”。該定義比較粗糙，1982年在“通信電纜”一書中提出了更準確的定義：“光纜是為了滿足光學、機械或環(huán)境的性能規(guī)范而制造的，它是利用置于包覆護套中的一根或多根光纖作為傳輸媒質(zhì)并可以單獨或成組使用的通信線纜組件”。根據(jù)上述定義可引伸出光纜設(shè)計制造的三要素：

　　即：1）保持光纖傳輸參數(shù)的穩(wěn)定。

　　2）保證在使用場合下設(shè)計的工作壽命期內(nèi)各種機械性能可靠，耐環(huán)境性能穩(wěn)定。

　　3）確保光纜在制造、施工、接續(xù)、運行、維護的總體經(jīng)濟性。

　　早期的通信光纜是借用和模仿原有通信電纜的結(jié)構(gòu)與工藝。電線電纜通常是用“拉、包、絞”三種結(jié)構(gòu)工藝的巧妙結(jié)合在歷史上已形成200多系列，上千萬種品種，數(shù)百萬個規(guī)格的大類產(chǎn)品。

　　光纜技術(shù)的發(fā)展汲取了電纜技術(shù)的精華，并根據(jù)光纖（特別是石英光纖）的特性創(chuàng)新發(fā)展成具有明顯特征的一門新技術(shù)。

　　2.1 保持光纖傳輸參數(shù)的穩(wěn)定

　　光纖在傳輸原理上來看，有別于對稱、同軸兩大類通信電纜，它是一種傳送光波（1013~1014赫芝）的弱導介質(zhì)波導。在宏觀的物理現(xiàn)象分析上可采用全反射原理。即可將光看成是由光子組成的光（粒）子流，將各種外力、溫度……的作用看成光子與聲子的相互作用。光纖既然是一種弱導介質(zhì)波導，而且這種尺寸較小的介質(zhì)波導在外力的作用下波導結(jié)構(gòu)（芯層與包層的界面）很容易產(chǎn)生形變，因而會導致傳輸參數(shù)的變化，造成拉細、微彎、宏彎等現(xiàn)象，從而引起附加衰減的產(chǎn)生和色散的變化。實際上在許多應(yīng)用場合，石英光纖本身又是一種很靈敏的分布式傳感器，它能顯示出±0.01℃及約數(shù)百Pa級的微應(yīng)力變化。簡而言之，就是要設(shè)法在短期外力作用下光纖應(yīng)力小于允許值，在長期來看對光纖的各種應(yīng)力應(yīng)趨近于零。

　　鑒于在電纜中的導體通常都能承受相當大的抗拉強度，當導體材料未超過屈服強度時，導電性能不會有顯著的變化，所以電纜中的拉力往往靠纜芯中的導體來承受。只存在有特大抗拉力或其他外力要求場合下再用鎧裝來承受部分拉力。而光纜則不然，光纜中的光纖一旦受到拉力的作用就會引起應(yīng)變，首先導致色散的增加，接著就會引起附加衰減。所以為了確保光纜中光纖在受到拉力時仍能保持傳輸參數(shù)的穩(wěn)定，則必須引入一種新的承受拉力的材料——加強芯或稱強度元件。這種承受拉伸負荷的元件若放在纜芯中間則通常稱加強芯或內(nèi)鎧元件，在護套內(nèi)或纜芯周圍就簡稱加強件。

　　當光纜受張力負荷時，按平行構(gòu)件模型的受力原理，光纖的應(yīng)變量與光纜的應(yīng)變量是相等的。在這種條件下，光纜中各元件承受的張力量由其元件的彈性模量與截面的乘積（EiAi）值來分配。

　　為了使光纖所承受的應(yīng)力盡量減小，必須要求符合下列要求：即加強構(gòu)件的EsAs值遠遠超過光纖的EfAf值。

　　……………………………………………………(1)

　　式中：Ei為光纜中各元件的楊氏模量；

　　Ai為各元件的橫截面積；

　　Ef為光纖的楊氏模量；

　　Af為光纖的橫截面積；

　　N為光纜中的光纖數(shù)目。

　　表1 加強構(gòu)件材料的主要性能


　　注：①溫度范圍：+5℃~+150℃；②溫度范圍：0℃~+100℃。

　　由于加強構(gòu)件線膨脹系數(shù)與光纖的線膨脹系數(shù)不同，當外界溫度條件變化時，光纖可能要產(chǎn)生縱向壓縮應(yīng)變，從而導致微彎衰耗的增加。這樣不同材料的熱性會影響到光纜運行的溫度范圍和使用環(huán)境。究其根源是因為光纖的線脹系數(shù)為1.8×10-6，而通常塑料的體脹系數(shù)10-4，即要大100倍以上。要想獲得良好的溫度特性的最佳方法是選用低線脹系數(shù)的涂復層，例如：硅橡膠（10-5）和芳綸來做包層和加強件，這就是一種緊包室外光纜的典型結(jié)構(gòu)。圖1所示為如何保證光纖傳輸參數(shù)穩(wěn)定的與諸因素現(xiàn)象相互關(guān)系的圖解。


　　圖1 光纜中光纖衰減色散變化與諸因素、現(xiàn)象的關(guān)系

　　要使光纜中的光纖不受力或少受力的基本方法有兩大類：1)緊套：將體脹系數(shù)接近光纖的軟材料包絞在光纖外以便吸收應(yīng)力——俗稱“沙發(fā)”原理。2)松套：將光纖先套包在較硬的二次被復管內(nèi)并留一定的余長（ExceededLength），簡稱EL，讓光纖在空管中以自由正反螺旋懸浮著放置。俗稱“彈簧”原理。合理、巧妙、精確的控制余長是光纜制造設(shè)計水平的重要體現(xiàn)。

　　獲得余長的另一個途徑就是圍著加強件，扭絞。余長設(shè)計是光纜制造的十分重要內(nèi)容。下面試以O(shè)PGW的光纖余長設(shè)計為例作一介紹。


　　圖2 OPGW光纖余長設(shè)計示意圖

　　圖1中的光纖在放入縱包焊接的不銹鋼管內(nèi)通常很難獲得正值的余長，通常在該工序中還要填充冷油膏，所以可設(shè)定該工序后光纖在有一定張力條件下拉入鋼管會有小量的負余長或零余長。此時光纖長度略小于或等于鋼管的長度。

　　正余長的獲得主要靠巧妙排列輥輪的擠軋獲得（例如為2‰），此時的余長是光纖相對于鋼管而言的，即光纖要長于鋼管2‰。

　　將鋼管絞在外層時可獲第二次的余長，這個余長是光纖相對于纜芯而言的。

　　在纜芯及OPGW上盤時都要有一定張力，在此張力下光纜（OPGW）受力伸長，而光纖則因有正余長而沒受力，所以，相對于OPGW正余長值略有減小。同理在敷設(shè)時也有少量余長減小。OPGW架線后要張拉即用繃緊來減小弧垂。該工序后余長減小值最大。

　　架設(shè)之后由于寒暑交變，余長自然也會變化，隨著OPGW架設(shè)時間增長，由于蠕變作用余長還會減小。20年后希望能保持有微小的正值（例如0.3‰）。

　　2.2保證在設(shè)計的工作壽命期內(nèi)各種使用場合下機械性能可靠，耐環(huán)境性能穩(wěn)定

　　石英光纖是一種脆性的玻璃材料。它的破斷機理與金屬、塑料等一般結(jié)構(gòu)材料完全不同。石英在自然界中往往是以結(jié)晶態(tài)的晶體出現(xiàn)。石英光纖則是各向同性的無定形體。在微觀上來看它的表面布滿各種深淺不同（通常是按韋帕爾規(guī)律分布）的格里弗斯裂紋。

　　光纖的斷裂強度σ與表面最大缺陷深度的關(guān)系可用格里弗斯關(guān)系式表示：

　　…………………………………………(2)

　　式中：為幾何尺寸常數(shù)；

　　為臨界應(yīng)力強度因子。

　　當表面微裂紋的深度超過一定極限值時，光纖就會斷裂。這和用鉆石刀劃玻璃后稍微用力一彎就能獲得整齊光滑的斷面的原理是一樣的。

　　影響光纖壽命的三個因素：

　　提高光纜的壽命問題，最根本的是要提高光纖的壽命。影響光纖壽命的原因主要有：1)光纖表面的微裂紋的存在和擴大；2)大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕；3)不合理的敷設(shè)光纜時殘留下來的應(yīng)力長期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃為基礎(chǔ)的光纖機械強度逐漸降低，衰耗慢慢增大，最后使光纖斷裂，終止了光纜的壽命。

　　眾所周知，在纖維表面上總是會存在著微裂紋，在大氣環(huán)境中發(fā)生慢裂紋生長，使裂紋不斷地擴大，使光纖的機械強度逐漸退化。例如，一根125μm直徑的裸石英光纖，經(jīng)過3年以后的慢變化，使光纖的抗拉強度從180kpsi（相當于1530g抗拉強度），降到了60Kpsi（相當于510g抗拉強度）。光纖這種慢變化的降低機械強度的機理是：當光纖表面有微裂紋（或缺陷）時，在受到外來應(yīng)力的作用，并不會立即斷裂，只有施加應(yīng)力達到裂紋的臨界值時，纖維才會斷裂。而石英纖維承受到一個小于臨界值的恒定應(yīng)力時，表面裂紋會發(fā)生緩慢的擴大，使裂紋的深度達到斷裂的臨界值。這就是纖維機械強度退化的過程。石英光纖機械強度的退化是由于承受到的應(yīng)力與大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子侵蝕的聯(lián)合作用造成的。裂紋末梢受到應(yīng)力的化學鍵和水（H2O）發(fā)生化學反應(yīng)如下：

　　│ │ │ │

　　—Si—O—Si + H2O → —Si—OH + HO—Si— …………(3)

　　│ │ │ │

　　這里生成了硅醇而使化學鍵斷裂，而存在的水分子又進一步加強了裂紋末梢最鄰近的那些化學鍵上的應(yīng)力集中，并造成化學鍵的斷裂。這種應(yīng)力與水的聯(lián)合作用就是所謂的應(yīng)力侵蝕或靜態(tài)疲勞。應(yīng)力侵蝕造成裂紋擴大的速度V為：

　　…………………………………………(2)

　　式中：K—應(yīng)力強度因子；A是裂紋擴展系數(shù)；n是疲勞參數(shù)，它是表征應(yīng)力侵蝕的環(huán)

　　境參數(shù)，也是唯一可以通過光纖涂復和光纜制造可改變的參數(shù)。

　　針對上述三大壽命因素，在制作光纜采取了三大措施：

　　1.一次被復光纖的強度篩選，將一些已有很深裂紋區(qū)段的光纖通過連續(xù)強度篩選加以剔除，此舉也可剔除由于制棒工藝缺陷而造成的氣泡、夾雜等影響強度的薄弱點。

　　篩選張力視使用場合按可靠性概率設(shè)計給定，參見表2。

　　表2 國際上光纖強度篩選的一般規(guī)定


　　2.光纖表面涂覆一層可防止水氣侵蝕的一次被復，通常是涂紫外固化的丙烯酸樹脂，亦可涂上一層有一定壓縮應(yīng)力的無機涂層，例如：TiO2、TiC等。若光纖選用了密閉的無定形碳涂層或密閉的金屬涂層則隔潮性更佳，光纖的疲勞參數(shù)（n）值可達100—300。對于通用光纜n值>20的紫外固化涂層已經(jīng)足夠。

　　3.光纜結(jié)構(gòu)工藝必需保證“零應(yīng)力”，即無明顯應(yīng)變。例如在YD/T901-2001光纜標準中規(guī)定光纖的應(yīng)變不大于0.005%時可判為無明顯應(yīng)變。

　　氫損是指由于氫滲入纖芯引起1.38μm附近長波長衰減明顯增長，在上世紀80年代曾一度成為光纖無法長期應(yīng)用的巨大障礙。它首先在將光纖密封在金屬護套中的海纜中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，之后在各種陸上光纜中陸續(xù)也發(fā)現(xiàn)有類似的報道。國內(nèi)也曾出現(xiàn)誤用析氫嚴重的填充油膏而成批光纜報廢的“事件”。

　　采用油膏填充來增強非完全密封護套電纜絕緣可靠性的重要技術(shù)。油膏填充曾使全塑市內(nèi)通信電纜的工作壽命成倍地提高。80年代初該技術(shù)應(yīng)用于光纜制造。1985年上海電纜研究所成功試制成熱油膏填充的松套層絞式光纜，隔年首批填充式光纜應(yīng)用于上海郊縣電信局線路。

　　油膏填充既可為光纜多添一種能吸收機械外力的纜芯襯墊介質(zhì)（猶如多加一個“水床”），又可起到防水的另一屏障。實踐證明選用松套內(nèi)外填充光纜的可靠性有極大的提高。后來在89年起又引入了既防水又與光纜材料相容的無析氫的可冷填充的“觸變”（Thixotropy）油膏。這種油膏在靜止時粘度高，不會滴流，而在受攪拌后粘度迅速大幅度降低，可允許在室溫下順利填充到塑料或鋼質(zhì)二次被復管內(nèi)。這種內(nèi)外填充的光纜還具有極佳的縱向水密性。在線路上遇到護套破損的事故時能阻止水沿縱向溝隙擴散。滲水性能已列為YD/T901-2001核心網(wǎng)用光纜——層絞式通信用室外光纜的重要性能指標之一。該標準第4.3、4.4規(guī)定，1m水頭加在光纜的全部截面上時光纜應(yīng)能阻止水縱向滲流。

　　對于有一定防潮性能粘結(jié)護套的光纜選用有強力吸水作用（吸水增長可達30~100倍）的超級阻水粉（如SAP聚丙烯酸脂）及由它制成的阻水紗，阻水帶亦可起到隔水的作用，這種“干式”的光纜施工時更方便，更干凈。

　　選用合適的光纜護套是保證光纜獲得耐環(huán)境性能穩(wěn)定的重要因素，也是確保光纜使用安全可靠的保證。

　　必須根據(jù)光纜實際敷設(shè)的環(huán)境選用擁有合適護套的光纜型號。首先要區(qū)分光纜是在戶內(nèi)還是室外。室內(nèi)主要選用各種軟光纜，光纖最好選用耐彎性能好的G657型。在室外使用場合敷設(shè)的方式條件眾多，可參照YD/T901-2001所推薦的表3合理選用（參見表3）。

　　表3 各種型式的適用敷設(shè)方式和特殊條件

　　注：在“適用敷設(shè)方式和條件”欄中△表示適用，∨表示可用。

　　注：在“適用敷設(shè)方式和條件”欄中△表示適用，∨表示可用。

　　2.3確保光纜施工、制造、接續(xù)、維護、運行總體的經(jīng)濟性

　　光纜僅是光纖通信線路網(wǎng)中的一個組成部分，鑒于它的長度長，使用環(huán)境復雜，占線路總成本的1/3到1/2左右，所以它是決定通信線路總體成本的重要因素。

　　光纜的型號、結(jié)構(gòu)……的設(shè)計與選擇必須從系統(tǒng)總體的優(yōu)劣加以考慮。

　　首先是正確合適的光纖的選擇，其次是結(jié)構(gòu)與工藝的選擇。

　　由于光纖的成本是光纜成本的重要組成部分，吸取各種現(xiàn)有石英光纖制造工藝的優(yōu)點而發(fā)展的高速優(yōu)質(zhì)的綜合新工藝，將會為大幅度降低光纜成本鋪平道路。要降低光纜成本，首先必須在保證滿足性能規(guī)范的前提下盡可能簡化結(jié)構(gòu)；其次是材料要力求價格低廉，工藝簡便可行，加工速度快，合格率高。結(jié)構(gòu)、材料和工藝是光纜制造中3個相互關(guān)聯(lián)的因素。三者的最佳配合，才可得到高質(zhì)量、高效率、低成本的產(chǎn)品。光纜的結(jié)構(gòu)繁多，在性能一致前提下，哪種總體成本最低，哪種就能發(fā)展。從結(jié)構(gòu)來說，能用一次絞的就不用二次絞，能用一次被覆的就不用二次被覆，能用小尺寸的就不用大尺寸的，能用輕鎧裝的就不用重鎧裝的。應(yīng)當指出，近年已十分成熟的高速光固化的丙烯酸一次被覆光纖有很好的經(jīng)濟效益。光固化涂料的一次被覆光纖外徑小，一般僅250μm，比原來熱固化硅橡膠的要小一半，而拉絲速度卻可提高5倍。另外，這種光固化涂料的外表面硬而光滑，摩擦系數(shù)小，為光纖的分色、一管多纖、多纖成束、成帶和快速連續(xù)奠定了新的基礎(chǔ)，也為簡化與優(yōu)化光纜結(jié)構(gòu)提供了條件。如今光纖芯線的細徑化、色譜化，光纖單元的小型化以及多樣化，已成為不可抗拒的新潮流；陸上光纜的外徑一般均不超過20mm。

　　就材料而言，可用普通材料就不用高檔材料。例如，聚丙烯與尼龍相比，前者的耐寒性能較差，但在管道及直埋使用場合，仍不失為二次被覆材料中之姣姣者，因為聚丙烯的價格僅為尼龍的1/10。又如填充膏選用石油膏類，也要比硅酯類價廉得多（僅為后者的1/10）且性能不比后者差，填充性能也好，因而頗受各方歡迎。

　　總的來說，光纜的工藝力求采用已成熟的流水線工藝。例如，將拉絲—強度篩選—二次被覆串聯(lián)成線，或?qū)⒗�絲、絞制聯(lián)合成一工序，均有利于提高效率與質(zhì)量。采用高速簡便的束絞，也比正規(guī)絞更經(jīng)濟。

　　在選擇材料及制定工藝時，應(yīng)依照實際情況（地理、環(huán)境、使用現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)劃、何提供的條件、生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)等）而因地制宜。例如，日本由于地下管道健全，充氣維護系統(tǒng)齊全，所以大都采用充氣維護的光纜結(jié)構(gòu)與線路。在我國，由于通信發(fā)展較晚，全國性自動通信網(wǎng)與數(shù)字通信網(wǎng)尚未建成，許多地區(qū)供電采用充氣維護困難大、投資大，故各種長途、市內(nèi)的用戶通信光纜以采用填充光纜更為經(jīng)濟實用。

　　光纜線路的經(jīng)濟性還反映在施工、維護的方便及可靠方面。光纜在現(xiàn)場的接續(xù)及施工簡便是光纜設(shè)計中特別要注意的問題，除要考慮光纖的單根熔接和保護之外，目前普遍在推廣一次多根光纖熔接或高速單根光纖的熔接，甚至已推出一次可同時測試8~12根光纖的測試裝置。最近還出現(xiàn)了在工廠預(yù)接續(xù)技術(shù)及大長度光纜現(xiàn)場布放施工技術(shù)，為施工的簡化開辟的新途徑。

　　光纖帶光纜是近十幾年光纜結(jié)構(gòu)工藝發(fā)展的新高峰，是一種具有密集度、接續(xù)方便、識別容易等優(yōu)點。它已成為接入網(wǎng)骨干環(huán)路大芯數(shù)光纜的首選結(jié)構(gòu)。圖3所示是我國光纜中的光纖密集度增加的趨勢，在此技術(shù)領(lǐng)域我國領(lǐng)先。


　　圖3 光纜中光纖密集度的增加

　　1994年我國上海電纜研究所利用原有拉絲、壓力涂復制備獨辟蹊徑用商用250μm外徑的石英光纖采用超薄緊貼的涂復工藝研制出厚度僅為260μm的超薄光纖帶,一舉奠定了我國光纖帶的標準厚度較國際標準更薄的工藝基礎(chǔ),并在1995年IWCS年會發(fā)展論文，獲得一致好評。我國還研制了光纖帶SZ絞松套管式光纜，四川匯源還為此獲得國家專利金獎。

　　三、光纜的制造中的主要原材料及其產(chǎn)品質(zhì)量認證設(shè)想

　　電纜的工藝概括地可用“拉、包、絞”三個字來表征。拉：粗的拉拉細。包（涂包、縱包、擠包），繞包都是包。絞：束絞、層絞、扭絞、成纜……亦全算絞。通過“拉、包、絞”的巧妙排列組合組合成了形形色色、豐富多彩的電纜品種。光纜既然脫胎于電纜，其主要的工藝亦必然與電纜相類似。由于光纖的尺寸標準、通用性好，剛性強，幾何尺寸控制嚴格，又是一種只要一根纖就能形成回路的介質(zhì)波導，所以它的“拉、包、絞”技術(shù)與工藝就更有特色。

　　光纜技術(shù)發(fā)展過程中工藝上一直不斷創(chuàng)新，追求高效（高速）、高精，并在實踐中已創(chuàng)造了許多工藝上的最高記錄：

　　拉絲：一根光纖棒可拉的整根連續(xù)長度為5000000米，無模拉絲時的縮徑比高達1440000倍（棒纖截面之比）。

　　著色：最高線速可達4000—5000米/分

　　成纜：SZ紫紗頭的轉(zhuǎn)速高速6000轉(zhuǎn)/分

　　高速運動物體擁有巨大的慣性，便于生產(chǎn)高均勻參數(shù)的（例如外徑）的線纜元件與產(chǎn)品。例如單模光纖的模場直徑的容差只有0.7μm，而涂復層的外徑應(yīng)控制在245±10μm之內(nèi)。

　　光纜的主要制造工藝按流程來分有下列主要工序：

　　1.拉絲及一次被復

　　2.強度篩選

　　3.著色

　　4.并帶

　　5.二次被復（包括油膏填充）

　　6.成纜（包括油膏填充）

　　7.護套（包括油膏填充）

　　光纖光纜制造工藝與電線電纜十分相似，它們都是靠導體或光纖作為牽引載體（類似傳送帶作用），利用圍繞牽引中心軸線旋轉(zhuǎn)的盤具或裝置進行巧妙的包絞來完成的。其中專用設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用及工模具的創(chuàng)新與管理是高超工藝的重要保證。與電纜工藝最大的不同是工藝過程中的在線的張力及余長的精細測量與控制必須十分精細。通常光線放線都是主動放線，而且要控制在數(shù)克的精度范圍之內(nèi)。圖5所示是半干式帶纖光纜的生產(chǎn)流程示意圖。

　　松套層絞式是世界上最通用的結(jié)構(gòu)。當光纜內(nèi)光纖芯數(shù)較多時選用光纖帶結(jié)構(gòu)。圖4是光纖帶松套層絞式的96芯光纜的示意圖。這是一種半干式的結(jié)構(gòu)。最近半干式的光纜較受歡迎，因為改用阻水帶代替了阻水纜膏，使施工更為方便。通常以往核心網(wǎng)用的光纖帶所含光纖數(shù)均在6芯以下，現(xiàn)已提高到12—16芯并可完全避免任何附加衰減。

　　圖4為96芯半干式光纖帶松套層絞式光纜的生產(chǎn)流程圖。


　　圖4 96芯半干式光纖帶松套管光纜結(jié)構(gòu)[1]

　　圖5 半干式帶纖光纜生產(chǎn)流程圖

　　圖5的流程中光纖與中心加強芯是作為半成品引入的。其他16種材料通過入廠檢驗后在工藝裝備上直接加到光纜中去。此圖中阻水紗作為外購產(chǎn)品的對待，實際上在大多數(shù)工廠內(nèi)光纖、坯棒、加強芯均系外購產(chǎn)品不能算半成品。

　　流程圖上標明有9個檢驗點都屬于中間質(zhì)量控制范疇，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。光纜成品在入庫之前的“檢9點”是成品的出廠檢驗。

　　光纜用的主要原材料分八大類：光纖、光纖涂料、光纖二次被覆用料、光纖光纜填充膏、光纜用加強件、光纜用阻水紗、阻水帶光纜用復合鋼帶、復合鋁帶及護套料。

　　文獻[2]中曾首次提出八大類光纖，光纜用材料發(fā)展的看法與建議，五年以來已取得很大成就。首先是制定了一些行業(yè)公認的材料標準（規(guī)范）。其次是在公平競爭的基礎(chǔ)，涌現(xiàn)了一大批本地產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)材料。這次第六屆會議的四個主要贊助單位就是這些優(yōu)質(zhì)材料生產(chǎn)企業(yè)的代表。他們不僅在競爭中戰(zhàn)勝許多國外材料廠而且正在努力創(chuàng)造國內(nèi)名牌并批量出口參與國際競爭。

　　鑒于電纜材料對于電纜質(zhì)量壽命，及所有電工、通信設(shè)備系統(tǒng)安全運行的極端相關(guān)性與重要性。美國UL公司對重要電工產(chǎn)品的認證中都要求對其主要原材料實施認證。2004年中國電器工業(yè)協(xié)會電線電纜分會制定了關(guān)于電線電纜材料質(zhì)量信得過產(chǎn)品評定實施辦法。去年已推出了行業(yè)中第一批質(zhì)量信得過產(chǎn)品。

　　在此基礎(chǔ)上，為進一步規(guī)范市場秩序，為電纜產(chǎn)品創(chuàng)“名牌”，北京中機誠業(yè)質(zhì)量認證有限公司正式開展電工材料認證工作，其中電線電纜材料也納入其中。若能獲得MQ證書，可以最大程度獲得用戶和市場的信任與認可。

　　光纖光纜材料行業(yè)至今沒有組織過全行業(yè)的材料認證工作。借這次大會召開良機，希望大家一起來討論能否效仿電纜材料，光纜材料與他們同步，也從今年起開展光纜材料的行業(yè)質(zhì)量認證工作。經(jīng)過“六屆光纖光纜材料技術(shù)研討會”的努力相信很容易取得共識，也許光纜材料行業(yè)的認證體系的建立條件更加成熟，效果會更好。

　　目前除了上述八大類材料之外，光纖制棒的原材料的大批量本地化生產(chǎn)已提上議事日程。它們包括8種氣體和高純度的Sicl4、Gecl4、Pocl3等化學品。這些化學品在純度上也要達到7N的PPB級雜質(zhì)含量，但在室溫時是液態(tài)的。參見表4。

　　表4 光纖行業(yè)氣體的一般應(yīng)用、使用量及品質(zhì)要求


　　四、讓納米材料在光纜材料中閃出光彩

　　納米又稱毫微米，nm是長度度量的單位。具體講就是一納米為10-9米，即十億分之一米的長度，相當于四倍原子的大小，萬分之一頭發(fā)絲的粗細。對于微觀物質(zhì)如原子分子以前都用埃米表示，一埃相當于一個氫原子的直徑。

　　納米材料是指尺寸小于100nm（0.1~100nm）的超細顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維、三維材料的的總稱。納米材料是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區(qū)域的一個典型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)不同于晶體，非晶體等傳統(tǒng)塊狀材料，也不同于單個原子。這種特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有光、電、磁、催化等方面有特殊價值。其擁有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等一系列新穎物理化學材料，特別引起人們廣泛興趣。最新消息報道，澳大利亞研究人員目前研究開發(fā)出新型態(tài)的固體碳—納米泡沫碳。這是一種用每秒一萬次激光脈沖轟擊碳原子，當其溫度達到一萬攝氏度時而形成的有無數(shù)個微小碳管組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它不同于自然界中存在的石墨（片狀），金剛石的天然形態(tài)，也不同于納米管（二維）和布基球。

　　我國是國際上率先開展納米科技研究的國家之一，在若干領(lǐng)域里占有優(yōu)勢，并形成3000多人的高水平研究隊伍。2004年我國納米科技SCI論文總數(shù)已超過4本，僅排在美國之后位居世界第二。

　　在產(chǎn)業(yè)化方面，我國在若干行業(yè)中領(lǐng)先世界。例如：

　　納米改性彩色氯化聚乙烯防水卷材。

　　納米復合顏料

　　納米改性聚丙烯，改性后成本低1/3，可達到與尼龍6工程塑料同樣性能。

　　納米材料改性涂料，加入半導體納米材料后使涂料可除菌，耐擦洗耐磨。

　　納米復合陶瓷軸承，以優(yōu)質(zhì)納米硅粉制成，耐酸堿，耐磨，耐溫特型好，年產(chǎn)600萬套。

　　納米抗菌管材，納米抗菌材料與PP-R共混后涂包在管材內(nèi)表面，殺菌率可達90%以上。

　　納米材料中以納米塑料最可能引入光纖光纜用材料。

　　納米塑料是指無機填充物以納米尺寸分散在有機聚合物機體中形成有機/無機納米復合材料，也稱納米改性聚合物。

　　中科學化學研究所工程塑料國家重點實驗室用天然粘土礦物蒙脫土作為分散相成功地開發(fā)出以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、氧樹脂、硅橡膠、聚氨酯等基材的一系列納米料，并實現(xiàn)了部分納米塑料的工業(yè)化。可能應(yīng)用于光纖光纜制造材料的有下列成果：

　　1. 納米尼龍6。

　　普通尼龍6的高吸水率，剛性差，制品穩(wěn)定性差的缺點經(jīng)常脫土改性已成為高模量，高耐熱，低吸濕，尺寸穩(wěn)定性好又具有良好加工性，價格也不貴，能否用于二次被覆值得探討。

　　2. 超高分子量聚乙烯/粘土納米復合材料

　　超高分子量聚乙稀UHMWPE耐磨，抗沖擊，耐腐蝕又兼有防鼠，防蟻等優(yōu)點，可用于防生物光纜的外護套。粘土納米復合解決了UHMWPE黏度高，分子纏結(jié)嚴重的缺點，可用普通擠出成型法生產(chǎn)管材，護套，為何不引入光纜試試？

　　3. 聚乙烯納米系列材料

　　除了蒙脫土我國另種儲量豐富價格低廉的有前途的礦物納米材料是坡縷石（Palygouskite），又名凹凸棒（Attapulgite,Attap）。它在礦物學分類上隸屬于海泡石族是一種鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物。其理想化學式為Mg5SiO20(OH)2(OH)4·H2O。1940年Bradly首先闡明了它的結(jié)構(gòu)，即Attap每個2∶1結(jié)構(gòu)單元層中，四面體片的角頂每隔一定周期作180度翻轉(zhuǎn)，構(gòu)成平行于x軸的鏈條及通道。Attap密度低（2.31—2.37）顏色較淡，其硬度為2—2.5，容易加工成微米及顆粒。復孔和中空結(jié)構(gòu)為化學改性和材料復合創(chuàng)造了良好條件。我國已研制出凹凸棒/聚乙烯，凹凸棒/聚丙烯，凹凸棒/聚四氟乙烯復合材料。此處凹凸棒的混合涂料由于其導熱系數(shù)很小已成為新型節(jié)能保溫涂料推廣應(yīng)用。

　　特別要指出的是凹凸棒在與吸水材料混合后的神奇效果。研究表明Attap與丙烯酸、丙烯酰胺組合的有機/無機復合材料是有高吸水倍數(shù)和耐鹽堿性能并可降低成本。

　　文獻[8]給出這類吸水復合物的一些研究結(jié)果。

　　圖6所示為凹凸棒添加添加量對吸液的影響


　　圖6 坡縷石添加量對吸液倍率的影響

　　坡縷石添加量對吸液倍率的影響見圖6所示。由圖3知，添加量為10%時，對于蒸餾水、CaCl2(I=10-2)、0.9%NaCl溶液吸液倍率都達到最大值；當添加量<10%時，隨著添加量增多吸液倍率逐漸升高；當?shù)V物添加量>10%時，復合材料的吸液倍率逐漸降低。1825g/g的吸水倍率在凹凸棒添加劑量約為10%時測得，可以說是一種奇跡。該文還給出了最佳合成工藝為凹凸棒質(zhì)量系數(shù)為10%，引發(fā)劑用量為0.20%，交聯(lián)劑用量為0.06%，單體中和度70%，聚合溫度為75度。利用紅外光譜分析證明了聚丙烯酸與凹凸棒發(fā)生了交聯(lián)。這一成果的引入，應(yīng)當對提高我國光纜阻水粉、阻水沙、阻水帶的質(zhì)量，降低成本都為有益。

　　電纜行業(yè)的材料工作者已對納米材料應(yīng)用于電纜顯示很大興趣。2006年電線電纜專委會優(yōu)秀論文的第一名授予哈爾濱理工大學韓志東等三人合寫的論文“納米SiO2填充低煙無鹵阻燃電纜料的研究”今年的2007中國線纜材料交流會的線纜技術(shù)交流部分也有三篇納米特性材料的論文。希望明年“第七屆光纖光纜用材料技術(shù)研討會”上能展示一大批納米特性光纜材料的論文。更希望在此前納米已廣泛進入光纜用材料的生產(chǎn)。

　　表5 我國納米材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展



　　國內(nèi)目前已建成100多條納米材料生產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量與水平大都達到或接近國際水平。差距主要在于缺乏應(yīng)用目標牽引，集成度差，學科交叉不夠，技術(shù)集成度差。但我國納米的發(fā)展環(huán)境優(yōu)勢：主要有政府支持，財政稅收有優(yōu)惠，社會輿論對新生事物熱情高，應(yīng)用方面顧慮少，勞動力豐富價廉，13億人口最大應(yīng)用市場。只要規(guī)劃合理，全民支持，大有后來領(lǐng)先之勢。

　　主要參考文獻：

　　1、范載云 光纜技術(shù)一瞥

　　“電信科學”1990.4 PP19-23

　　2、范載云 開拓創(chuàng)新面向用戶，面向世界 — 我國光纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展一瞥

　　“面向新世紀全國首屆通信光纖光纜用材料技術(shù)研討會”論文集 2002 無錫 PP1-7

　　3、高祥萍 我國光纖光纜用材料的發(fā)展及技術(shù)動向

　　“面向新世紀全國首屆通信光纖光纜用材料技術(shù)研討會”論文集 2002 無錫 PP8-15

　　4、章稼倫等三人全面氣體供應(yīng)和服務(wù)體系—為光纖產(chǎn)業(yè)度身定制

　　“面向新世紀全國首屆通信光纖光纜用材料技術(shù)研討會”論文集 2002 無錫 PP57-64

　　5、趙梓森等編著光纖通信工程（修訂本）　　人民郵電出版社 1993

　　6、納米有關(guān)文獻摘錄自網(wǎng)上　　www.nm863.com

　　7、楊艷等4人 凹凸棒/聚合物復合材料研究進展　　“化工新型材料” 2006.11 PP1-3

　　8、田惠卿等4人坡縷石/聚丙烯酸納米吸水保水復合材料的制備與性能研究　　化工新型材料 2006.4 PP44-46


----《通信世界》