一种舱外耐辐照光缆及其制作方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，具体讲是一种可满足低损耗、抗高辐照、耐极端快温变、低收缩、抗弯曲等宇航应用要求，直接暴露于航天器舱外，实现大容量数字、图像、音视频传输或穿舱互连用的舱外耐辐照光缆及其制作方法。

背景技术：
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随着光纤通信技术在航天领域的深入应用，光纤作为一种实现航天器高速组网或大容量信息传输的媒质，其应用领域从舱内逐步拓展到舱外甚至深空更为复杂和恶劣的环境。舱外光缆直接暴露于舱外高度真空、大剂量辐照、宽温变等条件下，为适应恶劣工况，在光缆设计和制作中对成缆材料有特殊要求，可供选择的原材料范围较窄，成缆工艺也较为特殊。

舱外光缆为国内首次提出并制作，其技术途径多采用涂覆或直接挤塑的方式。涂覆方式是指在光纤外直接涂覆一层一定厚度的耐宽温变硅树脂，后续可采取氟缓冲包覆等其它方式，然后纤维增强后再制作一层氟外护套。直接挤塑方式是指在抗高辐照光纤外直接氟塑料紧包或松套缓冲。

采用耐宽温变硅树脂涂覆结合氟紧包的缓冲方式，这种技术途径需将光纤进行多次涂覆固化，且所用涂层在航天真空环境中易引起持续释气，造成精密光学设备表面污染。同时由于所用光纤涂层模量较低，光缆整体偏柔软，氟塑料会在舱外快温变下持续老化、收缩，加速引起光缆变形，微弯损耗增加，长寿命难以保证。

直接采用氟塑料缓冲的方式，工序相对较少，成型工艺简单，一般直接采取高温挤塑成型的方式，但在长期极端高低温条件下，特别是玻璃化温度以下，光缆结构整体若设计不合理则会引起变形扭曲，这主要是因为聚合物的膨胀系数一般是玻璃的10～1000倍，膨胀系数不同会导致在低温下的光纤受到应力。在高温时，聚合物分子链活动增加，内应力会得到释放。如果聚合物缓冲层保持在接近或高于玻璃化转变温度时，应力松弛会产生。对于较大长度的紧包缓冲型光缆，若后续成缆中材料、结构和工艺处理不当，则在长期高低温交变下其 轴向应力层如挤塑缓冲层，轴向收缩会产生，这将会增加光纤使用时的压缩应力。这种结构在-100℃～100℃极端快温变下经过一定周期的温度老化，会引起光缆损耗急剧增加。若采用松套缓冲，光纤余长难以控制，同样会带来后续微弯损耗持续增加的情况。

技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是，提供一种可满足低损耗、抗高辐照、耐极端快温变、低收缩、抗弯曲等宇航应用要求，直接暴露于航天器舱外，实现大容量数字、图像、音视频传输或穿舱互连用的舱外耐辐照光缆及其制作方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的舱外耐辐照光缆，包括光纤以及依次包覆在光纤上的耐高低温涂层、耐高低温氟缓冲层、增强纤维层和耐高低温氟外护层，其中，耐高低温涂层与耐高低温氟缓冲层之间还有一层与光纤特性匹配的低膨胀系数缓冲层，增强纤维层由低收缩高强高模非金属连续增强纤维编织成网状结构。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，低膨胀系数缓冲层和耐高低温氟缓冲层的单边壁厚均可为0.2mm～0.3mm。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，低膨胀系数缓冲层可为膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一种。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，增强纤维层中的纤维可为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维或特种玻璃纤维中的任一种。本发明中的增强纤维保证高强高模特性的同时，具有一定的刚性和低伸长率、低收缩率，且纤维表面摩擦系数相对较大，与其它高强高模纤维对比能有效克服外护套收缩问题。纤维经适当的编织节距成型后，可以保证光缆在高低温温度交变时，光缆两端处材料伸长降低，这样则有效保证光缆后续制作接头时，不会发生高低温后端面伸出弯折引起光损耗增加或光纤断裂的问题。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，耐高低温氟缓冲层和耐高低温氟外护层均可采用PFA、FEP或ETFE中的任一种。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，光纤可为特殊掺杂抗高辐照光纤，光纤可采用纯硅芯、包层掺氟或芯包层共掺氟的方式。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，耐高低温涂层可为丙烯酸聚酯、聚 酰亚胺或耐高低温硅树脂中的任一种。

优选地，本发明所述的一种舱外耐辐照光缆，其中，光纤可采用纯硅芯、包层掺氟或芯包层共掺氟的方式。

另外，本发明还提供了一种舱外耐辐照光缆的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

①、首先在光纤上涂覆耐高低温涂层；

②、接着在耐高低温涂层上挤塑一层与光纤)特性匹配的低膨胀系数缓冲层；

③、然后在低膨胀系数缓冲层上挤塑一层耐高低温氟缓冲层；

④、接着在耐高低温氟缓冲层外通过多股编织方式，编织成网状结构的增强纤维层(5)；

⑤、最后在增强纤维层外挤制一层耐高低温氟外护层，形成成品光缆。

优选地，本发明所述的舱外耐辐照光缆的制作方法，其中，低膨胀系数缓冲层可为刚性低膨胀系数材料，低膨胀系数缓冲层需经过280℃～320℃熔融高温定向拉伸和真空紧包后，形成单边厚度0.2mm～0.3mm的具有刚性的紧包层，耐高低温氟缓冲层同样通过280℃～320℃熔融高温挤塑而成且单边壁厚为0.2mm～0.3mm，实现两层缓冲层工艺温度匹配，并通过热、冷水冷却的方式将两层有效结合在一起，形成柔韧性较好的复合光单元。

采用以上结构及方法后，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在耐高低温涂层与耐高低温氟缓冲层之间引入一层膨胀系数匹配的刚性相对较强的缓冲层，并在该缓冲层上再挤塑一层柔性氟缓冲层，形成韧性较好的复合缓冲光单元，光纤所受应力极小，提升了光缆整体的韧性，避免高低温下变形，同时这种缓冲层可以极好的降低极端快温变对光纤产生的应力，降低微弯损耗。另外，由低收缩高强高模非金属连续增强纤维编织成网状结构的增强纤维层可有效降低光缆在高低温下的收缩效应，降低后续光缆应用中热预处理的周期，成型后结构稳定性得到有效保证。本发明通过采用复合缓冲、纤维增强、外护层挤塑的方式形成一个圆整的结构，确保复合缓冲层耐极端快温变性能，而外护层和低收缩增强层很好的?；ち斯獾ピ皇芑涤αΦ乃鹕?，降低光缆整体热收缩变形。综上所述，本发明满足了低损耗、抗高辐照、耐极端快温变、低收缩、抗弯曲等宇航应用要求，可直接暴露于航天器舱外，实现大容量数字、图像、音视频传输或穿舱互连用的功能。

附图说明：

图1为本发明一种舱外耐辐照光缆的结构示意图；

图2为本发明一种舱外耐辐照光缆的制作工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种舱外耐辐照光缆及其制作方法作进一步详细说明：

如图1所示，本发明一种舱外耐辐照光缆包括包括光纤1以及依次包覆在光纤1上的耐高低温涂层2、耐高低温氟缓冲层4、增强纤维层5和耐高低温氟外护层6，耐高低温涂层2与耐高低温氟缓冲层4之间还有一层与光纤1特性匹配的具有一定刚性的低膨胀系数缓冲层3，增强纤维层5由低收缩高强高模非金属连续增强纤维编织成网状结构，低膨胀系数缓冲层3和柔性相对较好的耐高低温氟缓冲层4组成复合缓冲层。本发明中的低膨胀系数缓冲层3由膨体氟化物、发泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一种挤塑而成，耐高低温氟缓冲层4和耐高低温氟外护层6均采用PFA、FEP或ETFE中的任一种，耐高低温涂层2为丙烯酸聚酯、聚酰亚胺或耐高低温硅树脂中的任一种。

复合缓冲层直接起到降低光纤在宽温变下所受应力大小及光传输的稳定性，传统缓冲层为降低光纤温度应力，多采取单一柔性层，起到应力缓冲和释放的作用，但这种结构难以适应宽温变的要求，长期往复循环下柔性缓冲层应力会积累，引起结构变形，逐步破坏光纤的传输性能。为避免结构松弛、材料老化引起的应力叠加，以及光缆在应力情况下辐照会加剧机械性能劣化。本发明采用由低膨胀系数缓冲层3和耐高低温氟缓冲层4组成的独特的复合缓冲结构，从而起到刚柔并济的效果。刚性缓冲层即低膨胀系数缓冲层3在高低温下极为稳定，可直接抵消其余柔性层的应力，保证光缆在高低温冲击时结构具有较好的承受能力和稳定性，应力传递不到核心传输元件光纤上。柔性二次缓冲层即耐高低温氟缓冲层4又可对刚性层起到良好的柔性缓冲作用，保证复合缓冲层整体的柔韧性和弯曲特性，提升光缆整体的弯曲能力，使得光缆整体在小弯曲半径下可靠应用。此外，通过在挤制一层薄壁柔性外护套，保证光缆结构整体状态稳定。上述结构可良好的适应舱外环境。

本发明为实现高辐照条件下光信号的稳定传输，在光纤1设计上采用了一种可与普通单 模光纤兼容的新型耐高温抗高辐照光纤，光纤1为特殊掺杂抗高辐照光纤，光纤1采用纯硅芯、包层掺氟或芯包层共掺氟的方式。掺杂元素的引入减少低能量状态的缺陷结构的断网几率，缺陷浓度下降。适量掺杂元素能使被破坏的网络修复，保持网络的稳定性，在辐照衰减中主要表现为感生损耗稳定。在高辐照剂量下，辐照能量会引起光缆材料化学键的断裂，引起材料的强度和延伸特性发生劣化，甚至造成开裂。本发明舱外耐辐照光缆所用其它成缆材料均具有良好的抗18Mrad(Si)以上总剂量的能力，且材料本身耐受余量较大。

耐辐照光缆因受原材料本身特性限制，可用于宇航环境的光缆材料多具有抗辐照、耐高低温的特点，但这些材料在长期高低温老化条件下会因光缆各层结构之间的收缩特性差异，引起光缆各层之间相对收缩。若收缩过大，短期可能引起链路衰减增加，长期则会引起光缆与后续固定接头之间变形、脱离甚至失效。为保证光缆在长期高低温下的应用稳定，本发明舱外耐辐照光缆采用低收缩高强高模非金属连续增强纤维，这种低收缩高强高模非金属连续增强纤维为聚酰亚胺纤维、改性芳纶纤维或特种玻璃纤维中的任一种。这种纤维刚性较强且表面摩擦系数相对较大，同时作为增强层可与复合缓冲层、外护层之间的相对位移降低，相对变化减小，从而降低光缆整体的收缩。此外，所用低收缩纤维与光缆其它层之间热学特性匹配，在高低温状态下可保证光缆结构的稳定性。

舱外-100℃～100℃极端快温变下，高低温交变次数达6万次以上，且快温交变周期仅为1个半小时左右。长期快温变使得光缆所用材料低温收缩和模量增加，造成光纤出现微弯现象，引起损耗增加。高低温往复循环、极低温度、高温下长期工作都会引起光缆护套料及光纤涂层料发生疲劳效应，材料发生脆化、引起护套层开裂，导致光缆失效。为解决舱外耐-100℃～100℃极端快温变问题，本发明通过优化选用耐宽温变性能优异的原材料，其温度范围均可满足-100℃～100℃的要求，且光缆材料在该温度下结构长期稳定。所选增强纤维材料热收缩稳定性好，且具有一定的刚性，与其它柔性材料会产生应力变形，而纤维的刚性网状结构，保证缆芯内应力相互冲消，可有效缓冲应力及形变，保证光缆结构在高低温下的稳定性。

本发明中缓冲层的厚度是非常讲究的，为适应舱外辐照环境，选用的抗高辐照光纤经过特殊掺杂，满足了舱外辐照下传输损耗的要求，但光纤本身对弯曲和压力等应力较为敏感， 这本身就是一种性能的平衡和取舍。经过大量验证，低膨胀系数缓冲层和氟缓冲层厚度较薄时，高低温下材料收缩应力小且损耗较低，缓冲层柔韧性有一定提升，但抗压力等机械特性较差，虽然应用时光缆长度较短，但光缆不能满足自身标准要求；低膨胀系数缓冲层厚度较薄，氟缓冲层厚度较厚时，虽然抗压力等机械特性有提升，缓冲层柔韧性提升较高，但高低温下氟材料收缩应力大且损耗较高，这对光缆的关键传输性能影响就较大；低膨胀系数缓冲层厚度增加，氟缓冲层具有一定厚度时，不仅抗压力等机械特性有提升，缓冲层柔韧性提升较高，且极端高低温下光缆的传输性能不会受到影响。本发明通过两层缓冲层之间厚度设计及机械和高低温适应性验证，最终确认低膨胀系数缓冲层3和耐高低温氟缓冲层4的单边壁厚均选择为0.2mm～0.3mm。

如图2所示，本发明一种舱外抗高辐照光缆的制作方法采用了以下五道工序：

①、首先在光纤1上涂覆一定厚度的耐高低温涂层2；

②、接着在耐高低温涂层2上挤塑一层与光纤1特性匹配的低膨胀系数缓冲层3；

③、然后在低膨胀系数缓冲层3上再挤塑一层耐高低温氟缓冲层4，从而形成复合缓冲层；

④、接着在耐高低温氟缓冲层4外通过多股编织方式，将高强高模、低收缩纱线均匀致密的缠绕在复合缓冲层的四周，编织成网状结构的增强纤维层5；

⑤、最后通过高温外护层挤塑方式在增强纤维层5外挤制一层耐高低温氟外护层6，完成光缆的研制。

在上述流程中，低膨胀系数缓冲层3为刚性低膨胀系数材料，低膨胀系数缓冲层2需经过280℃～320℃熔融高温定向拉伸和真空紧包后，形成单边厚度0.2mm～0.3mm的具有刚性的紧包层。这种刚性缓冲层有别于传统高温挤塑柔性缓冲层，刚性缓冲时高低温条件下光缆其它材料收缩等应力会由刚性层直接承受，难以传递至光纤，而传统柔性缓冲层则是高低温下材料应力被逐渐吸收和缓冲，应力在一定范围内可以消除。此外，经过真空紧包，有效改善紧包层易折的问题。氟缓冲层可以有效改善第一层刚性缓冲层带来的不耐磨、易开裂问题，因此，本发明中的耐高低温氟缓冲层4同样需要通过280℃～320℃熔融高温挤塑而成且单边壁厚为0.2mm～0.3mm，实现两层缓冲层工艺温度匹配，并通过热、冷水冷却的方式将两层有 效结合在一起，形成柔韧性较好的复合光单元，克服第一层缓冲层的韧性差、易折的缺陷。

本发明通过独特的复合缓冲光单元和低收缩高强高模纤维增强方式，优化选用光纤一次、二次缓冲层和增强纤维，与光纤涂层和外护套材料等材料匹配，通过二次复合缓冲、纤维编织增强、薄壁氟外护层挤塑等技术途径，以及合理缓冲外径、增强节距等工艺参数控制，使得抗高辐照光纤在舱外极端快温变下的附加损耗较低且稳定性得到有效控制。此种结构制作的舱外光缆有效降低光纤在舱外恶劣环境下受到的应力，保证光纤在宽温变、高辐照剂量、小弯曲半径等条件下具有较低的和稳定的传输损耗。

本发明一种舱外耐辐照光缆具有衰减常数低(α_1310nm≤0.5dB/km、α_1550nm≤0.25dB/km)、抗高辐照(≥18Mrad(Si))、耐宽温变(-100℃～100℃)、低收缩外径细(≤2mm)以及弯曲性能好(弯曲半径≤50mm)等优点，且满足中子辐照、热真空、真空释气和材料毒性等舱外宇航应用条件。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的?；し段?。