如何保证光缆的使用寿命
2017-09-05 16:34:13 点击：
如何保证光缆的使用寿命
在长途光缆通信系统中，光纤传输特性应是长期稳定的,尤其是长途干线直埋光缆和海底光缆系统，对光缆的长寿命提出了更高的要求。一般对陆地光缆的使用寿命，希望有20年以上的安全使用期，而对海底光缆，则要求其使用寿命提高到25年以上，其故障间隔时间平均要求为10年。因此，如何延长光缆的使用寿命，怎样正确的使用光缆，都是人们关心的重要技术课题,下面从光缆的结构方面谈谈如何延长光缆的使用寿命。
影响光缆中光纤寿命的三大因素
光纤是光缆中最重要的组成材料之一，要提高光缆的使用寿命，最根本的是要提高光纤的使用寿命。影响光纤使用寿命的原因主要有：①光纤表面的微裂纹的存在和扩大；②大气环境中的水和水蒸气分子对光纤表面的浸蚀；③不合理敷设光缆时残留下来的应力长期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，衰耗慢慢增大，最后使光纤断裂，终止了光缆的使用寿命。
由于在纤维表面上总是会存在着微裂纹，在大气环境中发生慢裂纹生长，使裂纹不断地扩大，使光纤的机械强度逐渐退化。例如，一根125μm直径的石英光纤，经过3年的慢变化以后，使光纤的抗拉强度从180kpsi（相当于1530g抗拉强度），降到了60kpsi（相当于510g抗拉强度）。光纤这种慢变化而引起机械强度降低的原理是：当光纤表面有微裂纹（或缺陷）时，在受到外来应力的作用时，并不会立即断裂，只有施加应力达到裂纹的临界值时，纤维才会断裂。而石英纤维承受到一个小于临界值的恒定应力时，表面裂纹会发生缓慢的扩大，使裂纹的深度达到断裂的临界值，这就是纤维机械强度退化的过程。石英光纤机械强度的退化是由于承受到的应力与大气环境中的水和水蒸气分子浸蚀的联合作用造成的。
延长光纤使用寿命的方法
当纤维在真空环境中,由于没有水分子存在,所以不会发生应力浸蚀,其疲劳参数n为最大值，光纤也具有最高的强度，这时的强度就是纤维的惰性强度，称之为Si。
光纤在使用环境中所具有的使用寿命ts与它所承受的应力σ和纤维的惰性强度Si之间有如下关系：
lgts=－nlgσ＋lgB＋(n－2)lgSi
上式中后面两项皆为常数，所以当承受到的应力σ恒定时，纤维的使用寿命ts只与纤维的疲劳参数n值有关。n值愈大，光纤的寿命ts也愈长。因此，提高光纤的使用寿命有两种方法：
第一，当疲劳参数n一定时，纤维的寿命ts只与所承受到的应力σ有关，因此，减小纤维承受到的应力是提高光纤使用寿命的一种方法。当人们制造光纤时 ，在光纤表面上形成一种压缩应力以对抗所承受到的张应力，使张应力减到尽可能小的程度，由此就产生了压应力包层技术来制造光纤。
若设光纤承受到的应力为σa，寿命为t1，当光纤具有压应力σR包层时，光纤的寿命为t2：
t2= t1[(σa-σR)/σa]-n
其中，(σa-σR)为光纤真正承受到的净应力。由此表明：具有压应力包层的光纤比一般光纤的寿命长得多。近年来就有人用掺GeO2石英做光纤表面的压缩层，也有人用掺TiO2石英做光纤的外包层使光纤本身的抗拉强度从50kpsi提高到130kpsi（相当抗拉强度从430g提高到1100g），也使光纤的静态疲劳参数从n=20～25提高到n=130。
第二，提高光纤的静态疲劳参数n来提高光纤的使用寿命。因此，人们在制造光纤时，设法把石英纤维本身与大气环境隔绝开来，使之不受大气环境的影响，尽可能地把n值由环境材料参数转变为光纤材料本身的参数，就可以使n值变得很大，由此产生了在光纤表面的“密封被覆技术”。
近十年来，使用“密封被覆技术”来制造光纤取得了巨大进展。被覆材料由金属类扩展到金属氧化物、无机碳化物、无机氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉积无定型碳。被覆层结构由单一的金属被覆层发展到密封被覆层与有机被覆层相结合的复合被覆层结构，使光纤更具有实际应用的价值，纤维的光学性能、机械性能和抗疲劳性能都有提高。例如：
① 金属被覆光纤：铝被覆光纤可承受1Gpa(150kpsi)的应力，浸没在水中实验，在350℃温度下使用，寿命在10年以上。
② 金属氧化物和其它无机物被覆的光纤：用C4H10与SiH4在纤维表面沉积成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆层，并涂上有机层，纤维的n值可达到256。
③ 用氮化硼做密封被覆层的光纤：可承受200kpsi的拉力，n值可提高到100以上。又如用TIC密封被覆的光纤具有400～500kpsi的强度，可耐100℃的水。
④ 无定形碳密封被覆光纤：在无机被覆材料中，无定形碳被覆层不仅对光纤的光学性能和机械强度很少有损害作用，而且表现出良好的抗水性能及抗氢性能。此项技术已经走向工业化生产。这种纤维的典型抗拉强度已达到500～600kpsi，动态n值为350～1000。在室温下25年后，碳密封被覆光纤中渗入的氢只有普通光纤的1/10000；在光缆中，此类纤维可容许的氢压力比一般光纤高100倍。用此光纤可适当地降低成缆条件或在更高温度条件下使用。
使用纤维表面生长“压应力包层”和“密封被覆技术”后，光纤的寿命可用下式推出：
t2/t1=19.36×10IRσa7
式中，σa是施加的 应力或使用应力。由此可算出σa与t2/t1的关系。这类光纤的使用寿命可达40年，可望用于海底光缆和军用通信。
另有一些研究还表明，制造光纤时宁可用锗（GeO2）和氟（F）作掺杂剂，也不用磷（P2O5）作掺杂剂，因磷的“亲水（H2O）”性好，使光纤易受潮湿，引起纤芯内部P-OH键吸收衰耗增大，使光纤缓慢变化。所以长使用寿命的光纤杜绝用磷作掺杂材料。
在制造光缆工艺中注意防潮防水，减少残存的应力
首先是缆芯结构设计，一定要用松结构，防止留下残存的应力，绞合光缆时要选择合理的光纤余长，也能减小张应力的作用；在缆芯内填充石油凝胶，目的是为了防潮、防水、防含氢化合物（污染液体）的浸蚀；使用涂塑钢带、铝带也是为了防潮，增加光缆的抗侧压、抗张力的能力；有些工厂在缆芯内每隔一米就加一个热熔胶的阻水层，防止缆芯纵向水的渗透；选用线膨胀系数小的材料作缆芯的强度元件，目的也是保护光纤，免除外张力的影响。最后还要指出的一点，就是制造光缆的每一种原材料，本身必须有30年以上的寿命，必须有高稳定性的物理性能和化学性能。只有严格控制上述各道制造工艺的质量，才可以延长光缆的使用寿命。
当然要延长光缆的使用寿命还有一个重要因素就是光缆的敷设方式和施工过程，这方面的内容较多也较复杂，应单独作为专题进行论述.
在长途光缆通信系统中，光纤传输特性应是长期稳定的,尤其是长途干线直埋光缆和海底光缆系统，对光缆的长寿命提出了更高的要求。一般对陆地光缆的使用寿命，希望有20年以上的安全使用期，而对海底光缆，则要求其使用寿命提高到25年以上，其故障间隔时间平均要求为10年。因此，如何延长光缆的使用寿命，怎样正确的使用光缆，都是人们关心的重要技术课题,下面从光缆的结构方面谈谈如何延长光缆的使用寿命。
影响光缆中光纤寿命的三大因素
光纤是光缆中最重要的组成材料之一，要提高光缆的使用寿命，最根本的是要提高光纤的使用寿命。影响光纤使用寿命的原因主要有：①光纤表面的微裂纹的存在和扩大；②大气环境中的水和水蒸气分子对光纤表面的浸蚀；③不合理敷设光缆时残留下来的应力长期作用等。由于上述原因，使得以石英玻璃为基础的光纤机械强度逐渐降低，衰耗慢慢增大，最后使光纤断裂，终止了光缆的使用寿命。
由于在纤维表面上总是会存在着微裂纹，在大气环境中发生慢裂纹生长，使裂纹不断地扩大，使光纤的机械强度逐渐退化。例如，一根125μm直径的石英光纤，经过3年的慢变化以后，使光纤的抗拉强度从180kpsi（相当于1530g抗拉强度），降到了60kpsi（相当于510g抗拉强度）。光纤这种慢变化而引起机械强度降低的原理是：当光纤表面有微裂纹（或缺陷）时，在受到外来应力的作用时，并不会立即断裂，只有施加应力达到裂纹的临界值时，纤维才会断裂。而石英纤维承受到一个小于临界值的恒定应力时，表面裂纹会发生缓慢的扩大，使裂纹的深度达到断裂的临界值，这就是纤维机械强度退化的过程。石英光纤机械强度的退化是由于承受到的应力与大气环境中的水和水蒸气分子浸蚀的联合作用造成的。
延长光纤使用寿命的方法
当纤维在真空环境中,由于没有水分子存在,所以不会发生应力浸蚀,其疲劳参数n为最大值，光纤也具有最高的强度，这时的强度就是纤维的惰性强度，称之为Si。
光纤在使用环境中所具有的使用寿命ts与它所承受的应力σ和纤维的惰性强度Si之间有如下关系：
lgts=－nlgσ＋lgB＋(n－2)lgSi
上式中后面两项皆为常数，所以当承受到的应力σ恒定时，纤维的使用寿命ts只与纤维的疲劳参数n值有关。n值愈大，光纤的寿命ts也愈长。因此，提高光纤的使用寿命有两种方法：
第一，当疲劳参数n一定时，纤维的寿命ts只与所承受到的应力σ有关，因此，减小纤维承受到的应力是提高光纤使用寿命的一种方法。当人们制造光纤时 ，在光纤表面上形成一种压缩应力以对抗所承受到的张应力，使张应力减到尽可能小的程度，由此就产生了压应力包层技术来制造光纤。
若设光纤承受到的应力为σa，寿命为t1，当光纤具有压应力σR包层时，光纤的寿命为t2：
t2= t1[(σa-σR)/σa]-n
其中，(σa-σR)为光纤真正承受到的净应力。由此表明：具有压应力包层的光纤比一般光纤的寿命长得多。近年来就有人用掺GeO2石英做光纤表面的压缩层，也有人用掺TiO2石英做光纤的外包层使光纤本身的抗拉强度从50kpsi提高到130kpsi（相当抗拉强度从430g提高到1100g），也使光纤的静态疲劳参数从n=20～25提高到n=130。
第二，提高光纤的静态疲劳参数n来提高光纤的使用寿命。因此，人们在制造光纤时，设法把石英纤维本身与大气环境隔绝开来，使之不受大气环境的影响，尽可能地把n值由环境材料参数转变为光纤材料本身的参数，就可以使n值变得很大，由此产生了在光纤表面的“密封被覆技术”。
近十年来，使用“密封被覆技术”来制造光纤取得了巨大进展。被覆材料由金属类扩展到金属氧化物、无机碳化物、无机氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉积无定型碳。被覆层结构由单一的金属被覆层发展到密封被覆层与有机被覆层相结合的复合被覆层结构，使光纤更具有实际应用的价值，纤维的光学性能、机械性能和抗疲劳性能都有提高。例如：
① 金属被覆光纤：铝被覆光纤可承受1Gpa(150kpsi)的应力，浸没在水中实验，在350℃温度下使用，寿命在10年以上。
② 金属氧化物和其它无机物被覆的光纤：用C4H10与SiH4在纤维表面沉积成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆层，并涂上有机层，纤维的n值可达到256。
③ 用氮化硼做密封被覆层的光纤：可承受200kpsi的拉力，n值可提高到100以上。又如用TIC密封被覆的光纤具有400～500kpsi的强度，可耐100℃的水。
④ 无定形碳密封被覆光纤：在无机被覆材料中，无定形碳被覆层不仅对光纤的光学性能和机械强度很少有损害作用，而且表现出良好的抗水性能及抗氢性能。此项技术已经走向工业化生产。这种纤维的典型抗拉强度已达到500～600kpsi，动态n值为350～1000。在室温下25年后，碳密封被覆光纤中渗入的氢只有普通光纤的1/10000；在光缆中，此类纤维可容许的氢压力比一般光纤高100倍。用此光纤可适当地降低成缆条件或在更高温度条件下使用。
使用纤维表面生长“压应力包层”和“密封被覆技术”后，光纤的寿命可用下式推出：
t2/t1=19.36×10IRσa7
式中，σa是施加的 应力或使用应力。由此可算出σa与t2/t1的关系。这类光纤的使用寿命可达40年，可望用于海底光缆和军用通信。
另有一些研究还表明，制造光纤时宁可用锗（GeO2）和氟（F）作掺杂剂，也不用磷（P2O5）作掺杂剂，因磷的“亲水（H2O）”性好，使光纤易受潮湿，引起纤芯内部P-OH键吸收衰耗增大，使光纤缓慢变化。所以长使用寿命的光纤杜绝用磷作掺杂材料。
在制造光缆工艺中注意防潮防水，减少残存的应力
首先是缆芯结构设计，一定要用松结构，防止留下残存的应力，绞合光缆时要选择合理的光纤余长，也能减小张应力的作用；在缆芯内填充石油凝胶，目的是为了防潮、防水、防含氢化合物（污染液体）的浸蚀；使用涂塑钢带、铝带也是为了防潮，增加光缆的抗侧压、抗张力的能力；有些工厂在缆芯内每隔一米就加一个热熔胶的阻水层，防止缆芯纵向水的渗透；选用线膨胀系数小的材料作缆芯的强度元件，目的也是保护光纤，免除外张力的影响。最后还要指出的一点，就是制造光缆的每一种原材料，本身必须有30年以上的寿命，必须有高稳定性的物理性能和化学性能。只有严格控制上述各道制造工艺的质量，才可以延长光缆的使用寿命。
当然要延长光缆的使用寿命还有一个重要因素就是光缆的敷设方式和施工过程，这方面的内容较多也较复杂，应单独作为专题进行论述.
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