發布時間：2022-03-17所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：傳統石英光纖的涂覆層一般是聚合物，在高溫下極易發生降解，是限制光纖在高溫環境下應用的主要原因。金屬材料比聚合物具有更好的耐高溫特性，可以有效地保護光纖表面免受侵蝕，是耐高溫光纖涂覆層材料的研究熱點。本文分析和對比了五種主要的光纖表面金屬化涂覆
摘要：傳統石英光纖的涂覆層一般是聚合物，在高溫下極易發生降解，是限制光纖在高溫環境下應用的主要原因。金屬材料比聚合物具有更好的耐高溫特性，可以有效地保護光纖表面免受侵蝕，是耐高溫光纖涂覆層材料的研究熱點。本文分析和對比了五種主要的光纖表面金屬化涂覆方法：真空蒸鍍、濺射、電鍍、化學鍍、熔融涂覆。結果表明，金屬化光纖適宜于在極端環境中進行信息的傳輸和傳感，化學鍍以其經濟環保的特點是目前光纖小范圍金屬化的主要方法;熔融涂覆技術利用拉絲塔在線制備耐高溫光纖，是金屬化工業生產的主流選擇。
關鍵詞：光纖;金屬涂層;涂覆方法
1 引 言
石英光纖一般由纖芯、包層和涂覆層組成，纖芯和包層是延展性小的脆性材料，易受損折斷，包層外的涂覆層可以起到緩沖作用，防止應力集中，為光纖提供保護。另外，在石英玻璃光纖拉絲過程中，及時施加涂覆層能夠防止外界物質在裸纖表面的附著，避免損耗增大，提高光纖的機械性能[1]。目前，國際上主流的光纖涂層材料是丙烯酸脂涂層，這種涂層的優點包括快速固化、易于生產、易于剝離、成本較低，缺點是不耐高溫，其工作溫度范圍一般為-60~85℃。當光纖持續在高于 85℃的環境下工作時，普通丙烯酸脂涂層就會發生熱老化和熱氧老化，并且這種有機涂層在高溫下還會產生對石英玻璃光纖具有應力腐蝕作用的氫氣，加速光纖的疲勞過程，進而導致光纖失效[2]。隨著光纖應用場景的延伸，普通丙烯酸脂涂層光纖已經無法滿足日益增長的高溫、輻射等極端環境下的應用需求。
在極端的環境條件下，涂層的穩定性十分重要。耐高溫涂層主要包括聚酰亞胺涂層、碳涂層和金屬涂層。聚酰亞胺涂層光纖在一般高溫下具有優異的熱穩定性，具有耐高溫、耐輻射、介電性能好的特點，能夠在 300℃溫度以下長期使用[1]。因此，聚酰亞胺涂層光纖被廣泛應用于高溫、輻射等惡劣環境中。但是在汽車和航空航天工業中，環境溫度通常在包括聚酰亞胺在內的聚合物涂層的熱穩定范圍之外[3]。瞬時溫度超過 400℃時，聚酰亞胺涂覆層可能會發生炭化[4]。當環境溫度超過有機聚合物聚酰亞胺最大承受溫度時，與石英光纖(纖芯和包層)的熱膨脹系數不匹配會造成石英光纖的縱向應變，從而導致光纖損耗[5] 。因此，聚合物涂層的光纖傳感器使用溫度通常不超過 300℃[6] 。
碳涂層光纖有很好的密封性[7]，既能防止微裂紋的擴展，也能阻擋氫和水汽，尤其適用于高應力、高濕度的環境，可顯著延長光纖的使用壽命。例如，將石墨烯涂覆在微納光纖表面，可以提高光纖傳感器的靈敏度和耐久性[8 -9] 。此外，碳涂層厚度只有幾埃，不會造成任何光損耗[10] 。然而，為了防止光纖受損，在碳層外通常需要進行二次涂覆，使用標準的紫外光固化的丙烯酸脂或熱固化的聚酰亞胺等聚合物涂層作為其保護層[11] 。因此，在聚合物受到使用環境的限制而無法使用的場合，金屬涂層光纖的作用無可替代。
金屬涂覆層光纖是在光纖的表面涂覆 Al 、Cu、Ni 等金屬保護層的光纖，適用溫度范圍從-270℃至 700℃，在高溫、真空、核輻射等苛刻環境條件下，金屬涂層光纖是不同工業場景下的最佳選擇，被廣泛地應用于石油、天然氣、核反應堆、醫療以及航天航空[12] 。例如，在石油化工行業，可應用于耐氫滲透的高溫光纖系統;在航天工業中，將光纖焊接到連接器上，能獲得可靠性更高的光纖設備[13] ;在核工業中，可用于熱核反應堆的等離子體診斷系統[14] 。
金屬涂層光纖可以有效地保護光纖表面免受水蒸氣的侵蝕，減少靜態疲勞影響，并提高光纖的機械可靠性;阻止氫滲透到纖芯中，在含氫的環境中保持較高的光傳輸率;當普通的聚合物涂層不起作用時，可以保護光纖表面免受高溫下的機械和化學損害[15] 。表 1 是光纖涂覆材料與最大長期使用溫度對照表，可以看出金屬涂層光纖具有更高的承受溫度，也更適用于超高溫環境，使其成為耐高溫光纖涂覆材料領域的一個研究熱點。
根據市場研究機構 Reportlinker 預測，全球金屬涂層光纖市場到 2026 年將達到 7900 萬美元左右[18] 。金屬涂層光纖主要適用于極端環境中的物理量監測。其中，石油和天然氣行業(包括井下傳感、勘探和管道監控等)占據全球金屬涂層光纖市場的主要份額。該報告同時指出，由于銅具有耐高溫特性、高電導率和屏蔽能力，銅涂層的市場占有率最大。
隨著 5G 時代的開啟，物聯網的普及，特種光纖應用領域的不斷開闊，適應各種復雜多變甚至嚴酷的應用場景對傳統光纖傳感提出了更高的要求，耐高溫、低損耗成為光纖發展的新方向。金屬涂覆層光纖能夠滿足這些苛刻環境下的使用需求，擁有十分廣闊的研究和應用前景。
目前，國內有關光纖金屬化的研究方興未艾，然而高校的研究成果很難達到產業化大規模量產的要求。囿于拉絲塔在線涂覆金屬層光纖技術的專利壁壘，國內諸如長飛、亨通等公司生產的耐高溫光纖涂覆層多為聚合物涂層，且最高長期使用溫度為 300℃，工藝技術與國外相比較還存在著明顯差距。本文分析了光纖金屬化的原因，總結了真空蒸鍍、濺射、電鍍、化學鍍和熔融涂覆光纖這幾種涂覆方法的優劣及適用范圍，并對未來需要解決的問題和發展方向進行了展望。
2 光纖金屬化的原因
裸光纖本身的初始強度很高，在光纖制備工藝的高溫環境下，如果不及時涂覆保護涂層，石英與水發生水解反應，其強度會快速下降。在涂覆保護涂層材料的選擇上，市場上主流的產品為丙烯酸酯等聚合物涂層，但高溫下聚合物會發生熱氧化、熱降解等現象。 123""4567 石英光纖的主要成分是二氧化硅，在低溫下以其良好的化學穩定性著稱。但是，當溫度升高或應力增大時，與之有關的反應會明顯加速。
聚合物材料在高溫下的降解行為與其固有屬性有關，在高溫下，當周圍環境中存在氧氣時，大多數聚合物涂層會由于氧化反應而降解。降解反應破壞了聚合物的交聯網絡，當降解達到臨界點，光纖的機械性能就會開始下降, 當外界環境對光纖造成氫損、機械作用、微彎或宏彎時，更容易使光纖傳輸信號的損耗增加。另一方面，石英玻璃光纖的機械性能與涂覆層的完整性息息相關。當涂覆層受周圍環境的變化而損壞時，暴露在外界環境的石英光纖，既會受到環境中水汽的侵襲，也會使石英玻璃表面的微裂紋等缺陷進一步擴張，影響光纖的強度和長期可靠性。在聚合物材料不能服役的環境溫度下，金屬不僅具有優良的耐高溫特性，而且具有更好的可靠性。
Huang 等[23] 利用 Thermogravimetric analysis(TGA 熱重分析法)研究了聚合物涂層光纖在高溫下的降解。分別測量了丙烯酸酯和聚酰亞胺涂層光纖的殘余涂層質量隨溫度升高的變化曲線，圖 3 代表在空氣中以 0.5ºC/ min 的加熱速率收集的典型動態 TGA 曲線。從圖中可以看出，聚酰亞胺涂層在 400ºC 以下并沒有明顯的重量損失，而丙烯酸酯涂層在 250ºC 時開始分解。
光纖作為 21 世紀信息傳遞的重要載體，因其具有脆性、散熱差等缺點而在應用方面有一定的局限。傳統的光纖保護方法不能滿足未來的使用要求，研究不同材料的工藝特性、對其表面改性處理是今后研究的趨勢。國際上開發的耐熱石英光纖涂覆材料分為三大類，即非金屬介電材料、有機聚合物材料和金屬材料。金屬涂覆層光纖具有很好的耐高溫特性，因此能被廣泛應用于高溫等惡劣環境中。
3 光纖金屬化的方法金屬涂覆層光纖具有耐高溫、抗輻射、耐氫滲透、可焊接等特點，在聚合物無法使用的場景，金屬涂覆層仍具有適用性，具有廣泛的應用前景。本文介紹以下 5 種光纖表面金屬化的主要方法，分別是：真空蒸鍍、濺射、電鍍、化學鍍和熔融涂覆。
3.1 真空蒸鍍與濺射法
真空蒸鍍法是指在真空環境下，將待鍍材料作為基底，給施鍍材料施加足以使其蒸發的能量，使施鍍材料在待鍍基底上沉積的方法。真空蒸鍍屬于物理氣相沉積(PVD)，沉積粒子的能量僅 0.1eV 左右，其沉積的鍍層附著能力一般[24]。鍍層厚度的均勻性與蒸發源結構和基片布局有關。對于點狀蒸發源，當基片放置在球面卡具上時，可以采用多個點源配置和工件相對于蒸發源旋轉的方法獲得厚度較為均勻的膜層[25]。對于小平面蒸發源，可采用行星式托架方式，蒸發材料到基片的入射角隨基片自轉而變化，由于托架的公轉和自轉，涂覆層厚度分布更好一些[26]。在蒸鍍過程中，可以對其膜厚進行比較精確的測量和控制，按照需要制成各種不同性質的涂層。
Sekar 等[27] 采用閃蒸法在光纖表面分別鍍上 80 nm 的鋁和鉛，實驗結果表明，光纖獲得了很好的增敏效果。真空蒸鍍法的優點是鍍層的純度高、質量好、厚度可以較準確控制，但是工藝重復性不夠好、鍍層附著力小、在蒸鍍過程中耗材量大[28] 。
濺射法是在高壓和高真空作用下，利用氣體輝光放電產生的正離子在電場作用下高速轟擊靶材，使靶材原子獲得足夠的能量從靶材表面逸出，并沉積在基底材料表面的一種物理氣相沉積方法。由于沉積粒子具有較高的能量，鍍層與基體的結合強度相較真空蒸鍍得到顯著改善[24] 。
20 世紀 70 年代，Wehner 等[29] 利用濺射法在銅表面沉積金屬鉬，盡管濺射產率較低，仍然探索了沉積材料表面錐形微觀形態的產生機理。隨著技術的不斷成熟，濺射法得到了長遠的發展，其中磁控濺射法因其沉積速率高，得到了廣泛的應用。
Fox[30] 利用磁控濺射法在光纖布拉格光柵(FBG)表面鍍上一層 ZnO，得到的 FBG 傳感器具有優異的表面質量和應變傳感性能。Li 等[31] 采用磁控濺射與電鍍相結合的方法，在 FBG 表面先后濺射一層薄 Ti 膜和 Ni 膜后再電鍍 Ni，研究表明 FBG 金屬化后具有更好的傳感性能。
磁控濺射法具有如下特點：(1)鍍膜不受材料的限制，幾乎可以濺射任何材料，一些熔點高、蒸汽壓低的元素或化合物都可以通過磁控濺射法實現鍍膜;(2)鍍膜質量好，與基體的結合性能好;(3)膜厚容易控制，鍍膜重復性好[32] 。這種技術存在的缺點是設備較昂貴，且需要在高溫下進行，工藝復雜、成本高、沉積速率低，給光纖濺射鍍膜帶來困難。
3.2 電鍍法
電鍍是一種利用電解原理的材料表面處理工藝，通過電鍍工藝可以將金屬、合金或者復合材料沉積到導電固體材料的表面，形成具有防護或者其他功能的涂覆層。電鍍時，陽極通常是要鍍的金屬或某種惰性導電材料，陰極是待鍍件，要涂敷的金屬鹽溶液作為電解質溶液，接通電源后控制適當的工藝條件使待鍍金屬、合金或者復合材料在陰極板上沉積析出。相較真空蒸鍍和濺射法，由于電鍍形成的鍍層與基體之間形成了化學鍵鍵合，具有較高的鍵能，結合強度也更高。在電鍍前，一般需要在光纖表面鍍一層很薄的導電層。通常以鎳作為電鍍層，因其具有優良的物理、化學和力學性能，能夠起到很好的保護作用。
Perry 等[33] 在 FBG 上先蒸鍍金再電鍍鎳，得到的鍍層致密性良好，電鍍后的光纖可嵌入鋼結構內部，監測結構的局部溫度和應變變化;Lupi 等[34] 在 FBG 上先真空蒸鍍鋁再分別電鍍銅和鋅，得到的金屬鍍層性能優異，制得的傳感器可以在環境溫度為 4.2 ~ 40K 溫度范圍進行傳感實驗。Sandlin 等[35] 研究了將光纖埋入固體金屬中的涂層，提出了石英光纖光柵的金屬二次涂覆的簡單方法。電鍍法的缺點是形成的涂層均勻性不容易控制，而且效率不夠高。另外，我國電鍍工廠多而分散，電鍍工藝對環境造成的污染較大。改良電鍍工藝，發展其他環保型材料表面處理技術勢在必行。——論文作者：莊園 1,2 ，周次明 1* ，范典 1
本文來源于：《激光與光電子學進展》(月刊)創刊于1964年，由中科院上海光學精密機械研究所和國家慣性約束聚變委員會聯合主辦。旨在關注科技發展熱點，報道高新技術前沿，追蹤科技研發動態，介紹科學探索歷程;展示最新科技產品，匯萃時尚科技訊息。
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