一種精密玻璃毛細管的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種精密玻璃毛細管的制備方法。包括以下步驟：（1）采用精密玻璃管冷加工技術對原始坯管進行外磨內鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%，內孔公差、橢圓度不大于1%，同心度不大于1mm的外套管；（2）將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內徑比外套管稍大的延長管；（3）選用若干玻璃絲和玻璃管進行堆積、排列后從接有延長管一端插入外套管中組裝成毛細管預制棒；（4）對玻璃毛細管預制棒進行拉絲；實時監測所拉制的玻璃毛細管內、外徑及橢圓度，并完成切割。本發明解決了硼硅玻璃毛細管尺寸精度難以保證的問題，同時實現外徑大于50mm、外內徑比靈活可調節的玻璃毛細管預制棒的制備及拉絲。
【專利說明】一種精密玻璃毛細管的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖固定和連接用精密玻璃毛細管的制備方法，屬于光通信無源器件【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光器件是構建光通信網絡通信系統的基礎，無論是高速光傳輸設備、長距離光傳輸設備、光接入系統，還是最近廣泛受關注的智能光網絡，它們的發展都取決于光器件技術的進步和產品的更新換代的速度，隨著光纖通信技術的不斷發展和關鍵技術的突破，光器件正向小型化、集成化、低復雜度、低功耗、低成本的方向發展。光纖固定座、光纖準直器等光器件為光纖通信系統及光纖傳感系統中的基礎光學元器件，而在這些基礎元器件中都離不開精密光纖定位和連接用的玻璃毛細管(以下簡稱為玻璃毛細管)，以實現無源光器件和有源光電器件的光信號在光纖介質中的傳輸。
[0003]光器件用玻璃毛細管的結構一般具有如下特征:內孔至少包括便于光纖穿入的孔徑漸變區(以下簡稱為喇叭口)和間隙配合方式固定光纖包層的均勻孔徑區；外形特征根據固定方式一般為圓形、方形、或帶平行面和弧形面的形狀。根據單根玻璃毛細管所固定光纖的數量，常用的玻璃毛細管有單纖型(如圓對稱型)和多纖型(如跑道型、陣列型)。由于光纖本身尺寸小，而要求的定位精度非常高，所以對固定光纖用的玻璃毛細管有著嚴格的要求，通常衡量玻璃毛細管產品質量的主要指標為插入損耗、內孔橢圓度、外徑一致性、極限環境下使用壽命。如單纖毛細管的毛細孔尺寸公差一般要求在0.126 (-0.000，+0.003) mm，橢圓度小于0.005mm。
[0004]制備帶喇叭口的玻璃毛細管一般采用兩步法:第一步采用拉伸技術把預成型的玻璃毛細管預制棒拉制成滿足或接近玻璃毛細管幾何規格的均勻玻璃管，在線或離線切割成毛細管坯料；第二步對毛細管內孔進行端部喇叭口擴孔。可以看出，玻璃毛細管的內孔和外徑的精度主要取決于第一步玻璃毛細`管預制棒的制備和毛細管的拉制技術。
[0005]國內已有部分專利公示了采用相關的拉絲設備和方法來制備玻璃絲或玻璃管。如專利CN1347393A，報道了一種圓柱形石英玻璃部件拉制方法。采用該方法可以有效避免拉制的圓柱體產生翹曲和偏離理想形狀的誤差。但是該方法只適用于幾何尺寸比較理想的石英玻璃坯管的拉制，當坯管的尺寸偏差較大時，所拉制的玻璃圓柱體的尺寸一致性難以保證。一般的光通信器件用玻璃管坯管是采用拉伸技術拉制出來的，高溫拉制出來的原始硼硅玻璃坯管內外徑尺寸的一致性和橢圓度很難保證，因此專利CN1347393A所述的方法并不適用于坯管尺寸偏差比較大的玻璃坯管的拉制；另一方面，該方法只涉及圓柱形的玻璃部件的拉制，并不能確保方形玻璃毛細管的拉制效果，因而具有一定的局限性。又如專利CN202881089U中提出的一種玻璃毛細管拉絲機，可以精確控制毛細管內外徑尺寸。但是專利中并沒有提供如何制作玻璃毛細管預制棒，由于實際中通過拉絲的方法難以產生外徑大于50mm的，同時滿足外內徑比大于10的硼硅玻璃坯管，因而該方法并不具有實用性。在日本專利JP4021537A說明書中公開了一種毛細管制備方法，將氣體輸入玻璃管內，綜合采集加熱爐，氣體輸入源閥門，驅動輪電機數據后經反饋處理以實現精確控制毛細管內徑和外內徑比的效果。但該專利涉及的材質為石英，其加熱溫度比硼硅玻璃溫度高出1000攝氏度以上，并且在高溫拉絲過程中，玻璃毛細管溫度、內徑等參數變化，使得通往管內的實際氣體壓力難以控制，導致內徑控制不夠精確，因而拉出的毛細管內外徑一致性難以滿足實用要求。
[0006]本發明的一些術語的定義為:
[0007]為了方便描述，做以下定義:
[0008]預制棒:用于玻璃材料拉絲的核心原材料，即用于拉絲的玻璃特種預制大棒；
[0009]橢圓度:橢圓或類圓的最大直徑與最小直徑之差；
[0010]外內徑比:圓柱體的外圓直徑和內圓直徑大小的比值，本專利中指毛細管、玻璃管或套管的外徑與內徑的比值；
[0011]等效外內徑比:組裝成的預制棒等效成一個帶孔的柱體后所計算得到的外徑和內徑的比值。
[0012]外套管:原始硼硅玻璃坯料經精密機械加工后的大尺寸、高幾何精度的柱狀玻璃管，其外內徑比一般不超過3;
[0013]中心玻璃管:毛細管預制棒中用于填充套管內孔的外徑均勻的中間空心的玻璃 管。
[0014]填充區域:毛細管預制棒中中心玻璃管與外套管之間可以用來填充實心玻璃絲或玻璃管的部分。

【發明內容】

[0015]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足，提供一種精密玻璃毛細管制備方法，解決硼硅玻璃毛細管尺寸精度難以保證的問題，同時實現外徑大于50mm、外內徑比靈活可調節的玻璃毛細管預制棒的制備及拉絲，以解決玻璃毛細管產品一致性不好的問題。
[0016]為解決硼硅玻璃毛細管尺寸精度難以控制問題，本發明從兩個方面進行努力:首先，利用精密冷加工技術對硼硅玻璃坯管進行外磨和內鏜，以制備外徑公差、橢圓度不大于
1.5%,內孔公差、橢圓度不大于1%,同心度不大于lmrn，沿長度方向一致性良好、光潔度良好的外套管。通過減小原材料的公差來消除其對毛細管內外徑尺寸的影響，可以有效加強毛細管尺寸一致性；另一方面，在拉絲過程中，采用嚴格的溫度和壓強控制，保證拉絲過程中加熱爐內的氣流場和溫度場恒定，可以有效減小拉絲過程中毛細管絲徑的波動，并且有效的在線監測手段及時為毛細管內外徑測量提供反饋信息，可以實時調節牽引速度來穩定毛細管外徑。
[0017]為解決外內徑比可調的大外徑毛細管預制棒制備難的問題，本發明利用精密冷加工技術制備的大外徑高精度的外套管，以基于組裝法的光子晶體光纖拉絲作為原型，通過在外套管內嵌套置入中心玻璃管和玻璃絲填充物來實現大外徑的預制棒的組裝，利用在填充區域內抽負壓處理，可以實現間隙的較好融合。這樣，大棒工藝可以提高毛細管的產能和產品批次一致性；改變中心玻璃管的內徑和外套管的外徑可以實現不同等效外內徑比的預制棒，從而可以靈活實現不同型號的毛細管的拉制。[0018]本發明包括以下步驟:
[0019](I)采用精密玻璃管冷加工技術對原始坯管進行外磨內鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%,內孔公差、橢圓度不大于1%,同心度不大于Imm,沿長度方向一致性良好的外
套管；
[0020](2)采用高溫拉伸技術將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內徑比外套管稍大的延長管；
[0021](3)選用若干玻璃絲和玻璃管按照一定規則進行堆積、排列后從接有延長管一端插入外套管中組裝成毛細管 預制棒；
[0022](4)采用控溫控壓拉絲技術，對玻璃毛細管預制棒進行拉絲；
[0023](5)拉絲過程中，實時監測所拉制的玻璃毛細管內、外徑及橢圓度，并完成切割、挑選、分類。
[0024]作為進一步優選的，用于外套管焊接的延長管的外徑不大于外套管的外徑，內徑不應小于外套管的內徑，焊接溫度范圍:900°C~1100°C。作為進一步優選的，所述毛細管預制棒是由材質相同的外套管、中心玻璃管及填充區域構成。其中包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充區域可選擇性的填充或不填充玻璃絲。中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm,有效橫截面積占外套管有效橫截面積的1%~10%,內孔橢圓度小于0.5%,長度大于外套管的長度；填充區域邊界與外套管內孔的間隙不大于5_;外套管可為圓筒形玻璃管也可為其它形狀的柱狀體，如外方內圓的套管，套管外徑:30mm-80mm ;預制棒的等效外內徑比:3~25。
[0025]作為進一步優選的，用于拉制玻璃毛細管的坯管、中心玻璃管、填充區域材料均是硼硅酸鹽玻璃材料，其理化性質滿足:質量成分=SiO2:78%~82% ；B203:11%~15% ；Na2O, K2O:3% ~5% ；A1203:1.5%-2.5% ；Fe/Zr/Ca 氧化物:<1% ;線膨脹系數(20 ~300。。):(3.3±0.1)*10_6/K ;退火溫度；560±20°C ;軟化溫度:820±20°C ;轉化溫度；1230±20°C ；
[0026]作為進一步優選的，用于制造玻璃毛細管的拉絲溫度為870°C~940°C，中間區域壓力絕對值范圍是0-0.05Mpa。
[0027]作為進一步優選的，所述的切割、挑選、分類的基準為:切割長度為:700-1200mm，
按外徑大小、內徑合格與否、橢圓度大小對毛細管進行挑選，分為一等品、二等品、不合格品O
[0028]本發明的特點和產生的積極效果為:
[0029]首先對玻璃坯管進行精密冷加工，有效消除原始坯管橢圓度不好、內外徑尺寸波動大對毛細管精度的影響，實現一致性良好的大外徑外套管，再利用堆積組裝工藝制備玻璃毛細管預制棒，容易制作出外內徑比為3-25的玻璃毛細管預制棒，使得生產不同型號的毛細管的設計更加簡單靈活。大棒的制備技術可以有效提高拉出毛細管產品的產能和產品批次一致性，并且在拉絲過程中采用在線絲徑監測可以有效實現高精度的毛細管拉絲。整套工藝簡單、方法靈活，適合低成本、大批量生產外徑波動小、內孔形狀、批次一致性良好的玻璃毛細管，方便實現光纖與器件的連接、固定，提高穩定性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發明用于制造高精度玻璃毛細管的方法流程圖。[0031]圖2是本發明玻璃毛細管預制棒堆積組合橫截面示意圖。
[0032]圖3是本發發明玻璃毛細管預制棒剖視圖。
[0033]圖4為本發明實施案例I的毛細管預制棒結構橫截面示意圖。
[0034]圖5為本發明實施案例2的毛細管預制棒結構橫截面示意圖。
[0035]1:中心玻璃管2:外套管3:填充區域4:堵頭上出氣孔；5:密封用堵頭6:拉錐焊接后的外套管7:填充玻璃管A8:填充玻璃管B9:填充玻璃絲10:中心玻璃管All:中心玻璃管B
【具體實施方式】
[0036]以下參照附圖以實例對本發明做更詳細的描述:
[0037]實施例一:1.8*0.126單孔毛細管制備實施例
[0038]按本發明方法，表1列出一種典型硼硅酸鹽玻璃原材料的物化性能指標。
[0039]表1硼硅酸鹽玻璃原材料性能指標
性能指標單位中心值(典公差范圍
[0040]
【權利要求】
1.一種精密玻璃毛細管制備方法，它包括以下步驟: (1)、采用精密玻璃管冷加工技術對原始坯管進行外磨內鏜制成外徑公差、橢圓度不大于1.5%，內孔公差、橢圓度不大于1%，同心度不大于1mm，沿長度方向一致的外套管； (2)、采用高溫拉伸技術將外套管一端加熱拉制成錐狀，另一端焊接一段內徑比外套管稍大的延長管； (3)、選用若干玻璃絲和玻璃管進行堆積、排列后從接有延長管一端插入外套管中組裝成毛細管預制棒； (4)、采用控溫控壓拉絲技術，對玻璃毛細管預制棒進行拉絲；拉絲過程中，實時監測所拉制的玻璃毛細管內、外徑及橢圓度，并完成切割。
2.根據權利要求1所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:用于外套管焊接的延長管的外徑不大于外套管的外徑，內徑不應小于外套管的內徑，焊接溫度范圍:900 0C -1100。。。
3.根據權利要求1所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:所述毛細管預制棒是由材質相同的外套管、中心玻璃管及填充區域構成。
4.根據權利要求1或3所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:所述毛細管預制棒包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充區域選擇性的填充或不填充玻璃絲。
5.根據權利要求1所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm,有效橫截面積占外套管有效橫截面積的1%-10%，內孔橢圓度小于0.5%,長度大于外套管的長度；填充區域邊界與外套管內孔的間隙不大于5_。
6.根據權利要求1或2所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:外套管為圓筒形玻璃管或其它形狀的柱狀體，套管外徑:30mm-80mm;預制棒的等效外內徑比:3_25。
7.根據權利要求6所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:外套管的截面為圓形或六方形。
8.根據權利要求1所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:用于拉制玻璃毛細管的坯管、中心玻璃管、填充區域材料均是硼硅酸鹽玻璃材料，其理化性質滿足:質量成分=SiO2:78%-82% ；B203:11%-15% ;Na20、K2O:3%-5% ；A1203:1.5%-2.5% ；Fe/Zr/Ca 氧化物:〈1%。
9.根據權利要求1所述的一種精密玻璃毛細管制備方法，其特征是:用于制造玻璃毛細管的拉絲溫度為870°C _940°C，中間區域壓力絕對值范圍是0-0.05Mpa。
【文檔編號】C03B37/012GK103771698SQ201410013429
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】馮振華, 王建軍, 周舉文, 李普杰, 黃巍, 周娟 申請人:武漢市艾玻睿光電科技有限公司