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标题: 光缆结构及工艺的发展 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 16:11
标题: 光缆结构及工艺的发展
一、通信光纤起源于PPB级的超净材料

　　1960年，梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器产生单色相干光使利用光调制进行通信成为可能。后来利用氦氖激光器通过大气传输一路彩色电视。但大气运输受到气候变化温度不均等严重干扰又必须使收发两端直线可见在地球上实在不太方便。它却在星际空间通信测量，显示了优势。

　　1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham预见利用纯净的玻璃可以制成衰减减小于20dB/km的通信光导纤维（简称光纤）。当时无人相信德国的光学权威认为它是空想。

　　但当时在Bell实验室主席深知高纯度二氧化硅的人工合成石英可利用当时集成电路基材的超纯的硅系试剂来制得。在康宁公司与英国电话研究所的合作下，利用PPb级的Sicl4等试剂于1970年首次试制成衰减小于20dB/km的石英光纤。开启了光纤通信时代的大门，为知识经济时代的通信网络找到了一种可以足足用上半个世纪以上的新型通信线材。

　　37年后在遥远的东方，在中国又在重新热烈讨论如何利用天然气，空分的“尾气”来筹建超净光纤材料生产基地事宜，真可称为历史神奇的螺旋上升的奇迹。所幸的是经过30多年的探索，我国光纤光缆工作已回归认识到光纤原材料的重要性，江南xx公司已于西南以高新开发区还签订了协议共同打造世界级光纤材料生产基地。让我们预祝他们合作成功，为国争光。

　　光缆的发展同样起源于新材料的应用。尽管光缆的发展初期借鉴的应用了许多通信电缆的材料，但至今已全套更新移植到80年代后新开发的光缆专用材料，无论是光纤的UV一次被覆涂料，光纤触变型油膏，PBT二次被覆料，不锈钢二次被覆料，玻璃钢的无金属加强芯……甚至是钢塑复合带，今天都是为光缆“量身定做”的专用料。离开了它们光缆无法制造。

　　二、光缆结构及工艺的发展

　　按高级汉语词典通俗的解释：

　　“光缆OpticalfiberCable是由许多根经过技术处理的光学纤维组合而成的缆，用来传送光信号”。该定义比较粗糙，1982年在“通信电缆”一书中提出了更准确的定义：“光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件”。根据上述定义可引伸出光缆设计制造的三要素：

　　即：1）保持光纤传输参数的稳定。

　　2）保证在使用场合下设计的工作寿命期内各种机械性能可靠，耐环境性能稳定。

　　3）确保光缆在制造、施工、接续、运行、维护的总体经济性。

　　早期的通信光缆是借用和模仿原有通信电缆的结构与工艺。电线电缆通常是用“拉、包、绞”三种结构工艺的巧妙结合在历史上已形成200多系列，上千万种品种，数百万个规格的大类产品。

　　光缆技术的发展汲取了电缆技术的精华，并根据光纤（特别是石英光纤）的特性创新发展成具有明显特征的一门新技术。

　　2.1 保持光纤传输参数的稳定

　　光纤在传输原理上来看，有别于对称、同轴两大类通信电缆，它是一种传送光波（1013~1014赫芝）的弱导介质波导。在宏观的物理现象分析上可采用全反射原理。即可将光看成是由光子组成的光（粒）子流，将各种外力、温度……的作用看成光子与声子的相互作用。光纤既然是一种弱导介质波导，而且这种尺寸较小的介质波导在外力的作用下波导结构（芯层与包层的界面）很容易产生形变，因而会导致传输参数的变化，造成拉细、微弯、宏弯等现象，从而引起附加衰减的产生和色散的变化。实际上在许多应用场合，石英光纤本身又是一种很灵敏的分布式传感器，它能显示出±0.01℃及约数百Pa级的微应力变化。简而言之，就是要设法在短期外力作用下光纤应力小于允许值，在长期来看对光纤的各种应力应趋近于零。

　　鉴于在电缆中的导体通常都能承受相当大的抗拉强度，当导体材料未超过屈服强度时，导电性能不会有显著的变化，所以电缆中的拉力往往靠缆芯中的导体来承受。只存在有特大抗拉力或其他外力要求场合下再用铠装来承受部分拉力。而光缆则不然，光缆中的光纤一旦受到拉力的作用就会引起应变，首先导致色散的增加，接着就会引起附加衰减。所以为了确保光缆中光纤在受到拉力时仍能保持传输参数的稳定，则必须引入一种新的承受拉力的材料——加强芯或称强度元件。这种承受拉伸负荷的元件若放在缆芯中间则通常称加强芯或内铠元件，在护套内或缆芯周围就简称加强件。

　　当光缆受张力负荷时，按平行构件模型的受力原理，光纤的应变量与光缆的应变量是相等的。在这种条件下，光缆中各元件承受的张力量由其元件的弹性模量与截面的乘积（EiAi）值来分配。

　　为了使光纤所承受的应力尽量减小，必须要求符合下列要求：即加强构件的EsAs值远远超过光纤的EfAf值。

　　……………………………………………………(1)

　　式中：Ei为光缆中各元件的杨氏模量；

　　Ai为各元件的横截面积；

　　Ef为光纤的杨氏模量；

　　Af为光纤的横截面积；

　　N为光缆中的光纤数目。
表1 加强构件材料的主要性能

　　注：①温度范围：+5℃~+150℃；②温度范围：0℃~+100℃。

　　由于加强构件线膨胀系数与光纤的线膨胀系数不同，当外界温度条件变化时，光纤可能要产生纵向压缩应变，从而导致微弯衰耗的增加。这样不同材料的热性会影响到光缆运行的温度范围和使用环境。究其根源是因为光纤的线胀系数为1.8×10-6，而通常塑料的体胀系数10-4，即要大100倍以上。要想获得良好的温度特性的最佳方法是选用低线胀系数的涂复层，例如：硅橡胶（10-5）和芳纶来做包层和加强件，这就是一种紧包室外光缆的典型结构。图1所示为如何保证光纤传输参数稳定的与诸因素现象相互关系的图解。

图1 光缆中光纤衰减色散变化与诸因素、现象的关系
　　要使光缆中的光纤不受力或少受力的基本方法有两大类：1)紧套：将体胀系数接近光纤的软材料包绞在光纤外以便吸收应力——俗称“沙发”原理。2)松套：将光纤先套包在较硬的二次被复管内并留一定的余长（ExceededLength），简称EL，让光纤在空管中以自由正反螺旋悬浮着放置。俗称“弹簧”原理。合理、巧妙、精确的控制余长是光缆制造设计水平的重要体现。

　　获得余长的另一个途径就是围着加强件，扭绞。余长设计是光缆制造的十分重要内容。下面试以OPGW的光纤余长设计为例作一介绍。

　图2 OPGW光纤余长设计示意图
　　图1中的光纤在放入纵包焊接的不锈钢管内通常很难获得正值的余长，通常在该工序中还要填充冷油膏，所以可设定该工序后光纤在有一定张力条件下拉入钢管会有小量的负余长或零余长。此时光纤长度略小于或等于钢管的长度。

　　正余长的获得主要靠巧妙排列辊轮的挤轧获得（例如为2&permil;），此时的余长是光纤相对于钢管而言的，即光纤要长于钢管2&permil;。

　　将钢管绞在外层时可获第二次的余长，这个余长是光纤相对于缆芯而言的。

　　在缆芯及OPGW上盘时都要有一定张力，在此张力下光缆（OPGW）受力伸长，而光纤则因有正余长而没受力，所以，相对于OPGW正余长值略有减小。同理在敷设时也有少量余长减小。OPGW架线后要张拉即用绷紧来减小弧垂。该工序后余长减小值最大。

　　架设之后由于寒暑交变，余长自然也会变化，随着OPGW架设时间增长，由于蠕变作用余长还会减小。20年后希望能保持有微小的正值（例如0.3&permil;）。

　　2.2保证在设计的工作寿命期内各种使用场合下机械性能可靠，耐环境性能稳定

　　石英光纤是一种脆性的玻璃材料。它的破断机理与金属、塑料等一般结构材料完全不同。石英在自然界中往往是以结晶态的晶体出现。石英光纤则是各向同性的无定形体。在微观上来看它的表面布满各种深浅不同（通常是按韦帕尔规律分布）的格里弗斯裂纹。

　　光纤的断裂强度σ与表面最大缺陷深度的关系可用格里弗斯关系式表示：

　　…………………………………………(2)

　　式中：为几何尺寸常数；

　　为临界应力强度因子。

　　当表面微裂纹的深度超过一定极限值时，光纤就会断裂。这和用钻石刀划玻璃后稍微用力一弯就能获得整齐光滑的断面的原理是一样的。

　　影响光纤寿命的三个因素：

　　提高光缆的寿命问题，最根本的是要提高光纤的寿命。影响光纤寿命的原因主要有：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)不合理的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，终止了光缆的寿命。

　　众所周知，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直径的裸石英光纤，经过3年以后的慢变化，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）。光纤这种慢变化的降低机械强度的机理是：当光纤表面有微裂纹（或缺陷）时，在受到外来应力的作用，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侵蚀的联合作用造成的。裂纹末梢受到应力的化学键和水（H2O）发生化学反应如下：

　　│ │ │ │

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

　　│ │ │ │

　　这里生成了硅醇而使化学键断裂，而存在的水分子又进一步加强了裂纹末梢最邻近的那些化学键上的应力集中，并造成化学键的断裂。这种应力与水的联合作用就是所谓的应力侵蚀或静态疲劳。应力侵蚀造成裂纹扩大的速度V为：

　　…………………………………………(2)

　　式中：K—应力强度因子；A是裂纹扩展系数；n是疲劳参数，它是表征应力侵蚀的环

　　境参数，也是唯一可以通过光纤涂复和光缆制造可改变的参数。

　　针对上述三大寿命因素，在制作光缆采取了三大措施：

　　1.一次被复光纤的强度筛选，将一些已有很深裂纹区段的光纤通过连续强度筛选加以剔除，此举也可剔除由于制棒工艺缺陷而造成的气泡、夹杂等影响强度的薄弱点。

　　筛选张力视使用场合按可靠性概率设计给定，参见表2。
　　表2 国际上光纤强度筛选的一般规定

　　2.光纤表面涂覆一层可防止水气侵蚀的一次被复，通常是涂紫外固化的丙烯酸树脂，亦可涂上一层有一定压缩应力的无机涂层，例如：TiO2、TiC等。若光纤选用了密闭的无定形碳涂层或密闭的金属涂层则隔潮性更佳，光纤的疲劳参数（n）值可达100—300。对于通用光缆n值>20的紫外固化涂层已经足够。

　　3.光缆结构工艺必需保证“零应力”，即无明显应变。例如在YD/T901-2001光缆标准中规定光纤的应变不大于0.005%时可判为无明显应变。

　　氢损是指由于氢渗入纤芯引起1.38μm附近长波长衰减明显增长，在上世纪80年代曾一度成为光纤无法长期应用的巨大障碍。它首先在将光纤密封在金属护套中的海缆中陆续发现，之后在各种陆上光缆中陆续也发现有类似的报道。国内也曾出现误用析氢严重的填充油膏而成批光缆报废的“事件”。

　　采用油膏填充来增强非完全密封护套电缆绝缘可靠性的重要技术。油膏填充曾使全塑市内通信电缆的工作寿命成倍地提高。80年代初该技术应用于光缆制造。1985年上海电缆研究所成功试制成热油膏填充的松套层绞式光缆，隔年首批填充式光缆应用于上海郊县电信局线路。

　　油膏填充既可为光缆多添一种能吸收机械外力的缆芯衬垫介质（犹如多加一个“水床”），又可起到防水的另一屏障。实践证明选用松套内外填充光缆的可靠性有极大的提高。后来在89年起又引入了既防水又与光缆材料相容的无析氢的可冷填充的“触变”（Thixotropy）油膏。这种油膏在静止时粘度高，不会滴流，而在受搅拌后粘度迅速大幅度降低，可允许在室温下顺利填充到塑料或钢质二次被复管内。这种内外填充的光缆还具有极佳的纵向水密性。在线路上遇到护套破损的事故时能阻止水沿纵向沟隙扩散。渗水性能已列为YD/T901-2001核心网用光缆——层绞式通信用室外光缆的重要性能指标之一。该标准第4.3、4.4规定，1m水头加在光缆的全部截面上时光缆应能阻止水纵向渗流。

　　对于有一定防潮性能粘结护套的光缆选用有强力吸水作用（吸水增长可达30~100倍）的超级阻水粉（如SAP聚丙烯酸脂）及由它制成的阻水纱，阻水带亦可起到隔水的作用，这种“干式”的光缆施工时更方便，更干净。

　　选用合适的光缆护套是保证光缆获得耐环境性能稳定的重要因素，也是确保光缆使用安全可靠的保证。

　　必须根据光缆实际敷设的环境选用拥有合适护套的光缆型号。首先要区分光缆是在户内还是室外。室内主要选用各种软光缆，光纤最好选用耐弯性能好的G657型。在室外使用场合敷设的方式条件众多，可参照YD/T901-2001所推荐的表3合理选用（参见表3）。　　表3 各种型式的适用敷设方式和特殊条件

　　注：在“适用敷设方式和条件”栏中△表示适用，&or;表示可用。

　　注：在“适用敷设方式和条件”栏中△表示适用，&or;表示可用。

　　2.3确保光缆施工、制造、接续、维护、运行总体的经济性

　　光缆仅是光纤通信线路网中的一个组成部分，鉴于它的长度长，使用环境复杂，占线路总成本的1/3到1/2左右，所以它是决定通信线路总体成本的重要因素。

　　光缆的型号、结构……的设计与选择必须从系统总体的优劣加以考虑。

　　首先是正确合适的光纤的选择，其次是结构与工艺的选择。

　　由于光纤的成本是光缆成本的重要组成部分，吸取各种现有石英光纤制造工艺的优点而发展的高速优质的综合新工艺，将会为大幅度降低光缆成本铺平道路。要降低光缆成本，首先必须在保证满足性能规范的前提下尽可能简化结构；其次是材料要力求价格低廉，工艺简便可行，加工速度快，合格率高。结构、材料和工艺是光缆制造中3个相互关联的因素。三者的最佳配合，才可得到高质量、高效率、低成本的产品。光缆的结构繁多，在性能一致前提下，哪种总体成本最低，哪种就能发展。从结构来说，能用一次绞的就不用二次绞，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，能用轻铠装的就不用重铠装的。应当指出，近年已十分成熟的高速光固化的丙烯酸一次被覆光纤有很好的经济效益。光固化涂料的一次被覆光纤外径小，一般仅250μm，比原来热固化硅橡胶的要小一半，而拉丝速度却可提高5倍。另外，这种光固化涂料的外表面硬而光滑，摩擦系数小，为光纤的分色、一管多纤、多纤成束、成带和快速连续奠定了新的基础，也为简化与优化光缆结构提供了条件。如今光纤芯线的细径化、色谱化，光纤单元的小型化以及多样化，已成为不可抗拒的新潮流；陆上光缆的外径一般均不超过20mm。

　　就材料而言，可用普通材料就不用高档材料。例如，聚丙烯与尼龙相比，前者的耐寒性能较差，但在管道及直埋使用场合，仍不失为二次被覆材料中之姣姣者，因为聚丙烯的价格仅为尼龙的1/10。又如填充膏选用石油膏类，也要比硅酯类价廉得多（仅为后者的1/10）且性能不比后者差，填充性能也好，因而颇受各方欢迎。

　　总的来说，光缆的工艺力求采用已成熟的流水线工艺。例如，将拉丝—强度筛选—二次被覆串联成线，或将拉丝、绞制联合成一工序，均有利于提高效率与质量。采用高速简便的束绞，也比正规绞更经济。

　　在选择材料及制定工艺时，应依照实际情况（地理、环境、使用现状、发展规划、何提供的条件、生产设备及技术等）而因地制宜。例如，日本由于地下管道健全，充气维护系统齐全，所以大都采用充气维护的光缆结构与线路。在我国，由于通信发展较晚，全国性自动通信网与数字通信网尚未建成，许多地区供电采用充气维护困难大、投资大，故各种长途、市内的用户通信光缆以采用填充光缆更为经济实用。

　　光缆线路的经济性还反映在施工、维护的方便及可靠方面。光缆在现场的接续及施工简便是光缆设计中特别要注意的问题，除要考虑光纤的单根熔接和保护之外，目前普遍在推广一次多根光纤熔接或高速单根光纤的熔接，甚至已推出一次可同时测试8~12根光纤的测试装置。最近还出现了在工厂预接续技术及大长度光缆现场布放施工技术，为施工的简化开辟的新途径。

　　光纤带光缆是近十几年光缆结构工艺发展的新高峰，是一种具有密集度、接续方便、识别容易等优点。它已成为接入网骨干环路大芯数光缆的首选结构。图3所示是我国光缆中的光纤密集度增加的趋势，在此技术领域我国领先。

　　图3 光缆中光纤密集度的增加
　　1994年我国上海电缆研究所利用原有拉丝、压力涂复制备独辟蹊径用商用250μm外径的石英光纤采用超薄紧贴的涂复工艺研制出厚度仅为260μm的超薄光纤带,一举奠定了我国光纤带的标准厚度较国际标准更薄的工艺基础,并在1995年IWCS年会发展论文，获得一致好评。我国还研制了光纤带SZ绞松套管式光缆，四川汇源还为此获得国家专利金奖。

　　三、光缆的制造中的主要原材料及其产品质量认证设想

　　电缆的工艺概括地可用“拉、包、绞”三个字来表征。拉：粗的拉拉细。包（涂包、纵包、挤包），绕包都是包。绞：束绞、层绞、扭绞、成缆……亦全算绞。通过“拉、包、绞”的巧妙排列组合组合成了形形色色、丰富多彩的电缆品种。光缆既然脱胎于电缆，其主要的工艺亦必然与电缆相类似。由于光纤的尺寸标准、通用性好，刚性强，几何尺寸控制严格，又是一种只要一根纤就能形成回路的介质波导，所以它的“拉、包、绞”技术与工艺就更有特色。

　　光缆技术发展过程中工艺上一直不断创新，追求高效（高速）、高精，并在实践中已创造了许多工艺上的最高记录：

　　拉丝：一根光纤棒可拉的整根连续长度为5000000米，无模拉丝时的缩径比高达1440000倍（棒纤截面之比）。

　　着色：最高线速可达4000—5000米/分

　　成缆：SZ紫纱头的转速高速6000转/分

　　高速运动物体拥有巨大的惯性，便于生产高均匀参数的（例如外径）的线缆元件与产品。例如单模光纤的模场直径的容差只有0.7μm，而涂复层的外径应控制在245±10μm之内。

　　光缆的主要制造工艺按流程来分有下列主要工序：

　　1.拉丝及一次被复

　　2.强度筛选

　　3.着色

　　4.并带

　　5.二次被复（包括油膏填充）

　　6.成缆（包括油膏填充）

　　7.护套（包括油膏填充）

　　光纤光缆制造工艺与电线电缆十分相似，它们都是靠导体或光纤作为牵引载体（类似传送带作用），利用围绕牵引中心轴线旋转的盘具或装置进行巧妙的包绞来完成的。其中专用设备的开发与应用及工模具的创新与管理是高超工艺的重要保证。与电缆工艺最大的不同是工艺过程中的在线的张力及余长的精细测量与控制必须十分精细。通常光线放线都是主动放线，而且要控制在数克的精度范围之内。图5所示是半干式带纤光缆的生产流程示意图。

　　松套层绞式是世界上最通用的结构。当光缆内光纤芯数较多时选用光纤带结构。图4是光纤带松套层绞式的96芯光缆的示意图。这是一种半干式的结构。最近半干式的光缆较受欢迎，因为改用阻水带代替了阻水缆膏，使施工更为方便。通常以往核心网用的光纤带所含光纤数均在6芯以下，现已提高到12—16芯并可完全避免任何附加衰减。

　　图4为96芯半干式光纤带松套层绞式光缆的生产流程图。

　　图4 96芯半干式光纤带松套管光缆结构[1]

　　图5 半干式带纤光缆生产流程图
　　图5的流程中光纤与中心加强芯是作为半成品引入的。其他16种材料通过入厂检验后在工艺装备上直接加到光缆中去。此图中阻水纱作为外购产品的对待，实际上在大多数工厂内光纤、坯棒、加强芯均系外购产品不能算半成品。

　　流程图上标明有9个检验点都属于中间质量控制范畴，它是保证产品质量的重要环节。光缆成品在入库之前的“检9点”是成品的出厂检验。

　　光缆用的主要原材料分八大类：光纤、光纤涂料、光纤二次被覆用料、光纤光缆填充膏、光缆用加强件、光缆用阻水纱、阻水带光缆用复合钢带、复合铝带及护套料。

　　文献[2]中曾首次提出八大类光纤，光缆用材料发展的看法与建议，五年以来已取得很大成就。首先是制定了一些行业公认的材料标准（规范）。其次是在公平竞争的基础，涌现了一大批本地产的优质材料。这次第六届会议的四个主要赞助单位就是这些优质材料生产企业的代表。他们不仅在竞争中战胜许多国外材料厂而且正在努力创造国内名牌并批量出口参与国际竞争。

　　鉴于电缆材料对于电缆质量寿命，及所有电工、通信设备系统安全运行的极端相关性与重要性。美国UL公司对重要电工产品的认证中都要求对其主要原材料实施认证。2004年中国电器工业协会电线电缆分会制定了关于电线电缆材料质量信得过产品评定实施办法。去年已推出了行业中第一批质量信得过产品。

　　在此基础上，为进一步规范市场秩序，为电缆产品创“名牌”，北京中机诚业质量认证有限公司正式开展电工材料认证工作，其中电线电缆材料也纳入其中。若能获得MQ证书，可以最大程度获得用户和市场的信任与认可。

　　光纤光缆材料行业至今没有组织过全行业的材料认证工作。借这次大会召开良机，希望大家一起来讨论能否效仿电缆材料，光缆材料与他们同步，也从今年起开展光缆材料的行业质量认证工作。经过“六届光纤光缆材料技术研讨会”的努力相信很容易取得共识，也许光缆材料行业的认证体系的建立条件更加成熟，效果会更好。

　　目前除了上述八大类材料之外，光纤制棒的原材料的大批量本地化生产已提上议事日程。它们包括8种气体和高纯度的Sicl4、Gecl4、Pocl3等化学品。这些化学品在纯度上也要达到7N的PPB级杂质含量，但在室温时是液态的。参见表4。
　　表4 光纤行业气体的一般应用、使用量及品质要求

　　四、让纳米材料在光缆材料中闪出光彩

　　纳米又称毫微米，nm是长度度量的单位。具体讲就是一纳米为10-9米，即十亿分之一米的长度，相当于四倍原子的大小，万分之一头发丝的粗细。对于微观物质如原子分子以前都用埃米表示，一埃相当于一个氢原子的直径。

　　纳米材料是指尺寸小于100nm（0.1~100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的的总称。纳米材料是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一个典型系统，其结构不同于晶体，非晶体等传统块状材料，也不同于单个原子。这种特殊的结构层次使它具有光、电、磁、催化等方面有特殊价值。其拥有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应等一系列新颖物理化学材料，特别引起人们广泛兴趣。最新消息报道，澳大利亚研究人员目前研究开发出新型态的固体碳—纳米泡沫碳。这是一种用每秒一万次激光脉冲轰击碳原子，当其温度达到一万摄氏度时而形成的有无数个微小碳管组成的网状结构。它不同于自然界中存在的石墨（片状），金刚石的天然形态，也不同于纳米管（二维）和布基球。

　　我国是国际上率先开展纳米科技研究的国家之一，在若干领域里占有优势，并形成3000多人的高水平研究队伍。2004年我国纳米科技SCI论文总数已超过4本，仅排在美国之后位居世界第二。

　　在产业化方面，我国在若干行业中领先世界。例如：

　　纳米改性彩色氯化聚乙烯防水卷材。

　　纳米复合颜料

　　纳米改性聚丙烯，改性后成本低1/3，可达到与尼龙6工程塑料同样性能。

　　纳米材料改性涂料，加入半导体纳米材料后使涂料可除菌，耐擦洗耐磨。

　　纳米复合陶瓷轴承，以优质纳米硅粉制成，耐酸碱，耐磨，耐温特型好，年产600万套。

　　纳米抗菌管材，纳米抗菌材料与PP-R共混后涂包在管材内表面，杀菌率可达90%以上。

　　纳米材料中以纳米塑料最可能引入光纤光缆用材料。

　　纳米塑料是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物机体中形成有机/无机纳米复合材料，也称纳米改性聚合物。

　　中科学化学研究所工程塑料国家重点实验室用天然粘土矿物蒙脱土作为分散相成功地开发出以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、氧树脂、硅橡胶、聚氨酯等基材的一系列纳米料，并实现了部分纳米塑料的工业化。可能应用于光纤光缆制造材料的有下列成果：

　　1. 纳米尼龙6。

　　普通尼龙6的高吸水率，刚性差，制品稳定性差的缺点经常脱土改性已成为高模量，高耐热，低吸湿，尺寸稳定性好又具有良好加工性，价格也不贵，能否用于二次被覆值得探讨。

　　2. 超高分子量聚乙烯/粘土纳米复合材料

　　超高分子量聚乙稀UHMWPE耐磨，抗冲击，耐腐蚀又兼有防鼠，防蚁等优点，可用于防生物光缆的外护套。粘土纳米复合解决了UHMWPE黏度高，分子缠结严重的缺点，可用普通挤出成型法生产管材，护套，为何不引入光缆试试？

　　3. 聚乙烯纳米系列材料

　　除了蒙脱土我国另种储量丰富价格低廉的有前途的矿物纳米材料是坡缕石（Palygouskite），又名凹凸棒（Attapulgite,Attap）。它在矿物学分类上隶属于海泡石族是一种链层状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。其理想化学式为Mg5SiO20(OH)2(OH)4·H2O。1940年Bradly首先阐明了它的结构，即Attap每个2∶1结构单元层中，四面体片的角顶每隔一定周期作180度翻转，构成平行于x轴的链条及通道。Attap密度低（2.31—2.37）颜色较淡，其硬度为2—2.5，容易加工成微米及颗粒。复孔和中空结构为化学改性和材料复合创造了良好条件。我国已研制出凹凸棒/聚乙烯，凹凸棒/聚丙烯，凹凸棒/聚四氟乙烯复合材料。此处凹凸棒的混合涂料由于其导热系数很小已成为新型节能保温涂料推广应用。

　　特别要指出的是凹凸棒在与吸水材料混合后的神奇效果。研究表明Attap与丙烯酸、丙烯酰胺组合的有机/无机复合材料是有高吸水倍数和耐盐碱性能并可降低成本。

　　文献[8]给出这类吸水复合物的一些研究结果。

　　图6所示为凹凸棒添加添加量对吸液的影响

　　图6 坡缕石添加量对吸液倍率的影响
　　坡缕石添加量对吸液倍率的影响见图6所示。由图3知，添加量为10%时，对于蒸馏水、CaCl2(I=10-2)、0.9%NaCl溶液吸液倍率都达到最大值；当添加量<10%时，随着添加量增多吸液倍率逐渐升高；当矿物添加量>10%时，复合材料的吸液倍率逐渐降低。1825g/g的吸水倍率在凹凸棒添加剂量约为10%时测得，可以说是一种奇迹。该文还给出了最佳合成工艺为凹凸棒质量系数为10%，引发剂用量为0.20%，交联剂用量为0.06%，单体中和度70%，聚合温度为75度。利用红外光谱分析证明了聚丙烯酸与凹凸棒发生了交联。这一成果的引入，应当对提高我国光缆阻水粉、阻水沙、阻水带的质量，降低成本都为有益。

　　电缆行业的材料工作者已对纳米材料应用于电缆显示很大兴趣。2006年电线电缆专委会优秀论文的第一名授予哈尔滨理工大学韩志东等三人合写的论文“纳米SiO2填充低烟无卤阻燃电缆料的研究”今年的2007中国线缆材料交流会的线缆技术交流部分也有三篇纳米特性材料的论文。希望明年“第七届光纤光缆用材料技术研讨会”上能展示一大批纳米特性光缆材料的论文。更希望在此前纳米已广泛进入光缆用材料的生产。

　　表5 我国纳米材料产业的发展

　　国内目前已建成100多条纳米材料生产线，产品质量与水平大都达到或接近国际水平。差距主要在于缺乏应用目标牵引，集成度差，学科交叉不够，技术集成度差。但我国纳米的发展环境优势：主要有政府支持，财政税收有优惠，社会舆论对新生事物热情高，应用方面顾虑少，劳动力丰富价廉，13亿人口最大应用市场。只要规划合理，全民支持，大有后来领先之势。

　　主要参考文献：

　　1、范载云光缆技术一瞥

　　“电信科学”1990.4 PP19-23

　　2、范载云开拓创新面向用户，面向世界 — 我国光缆产业发展一瞥

　　“面向新世纪全国首届通信光纤光缆用材料技术研讨会”论文集 2002 无锡 PP1-7

　　3、高祥萍我国光纤光缆用材料的发展及技术动向

　　“面向新世纪全国首届通信光纤光缆用材料技术研讨会”论文集 2002 无锡 PP8-15

　　4、章稼伦等三人全面气体供应和服务体系—为光纤产业度身定制

　　“面向新世纪全国首届通信光纤光缆用材料技术研讨会”论文集 2002 无锡 PP57-64

　　5、赵梓森等编著光纤通信工程（修订本）　　人民邮电出版社 1993

　　6、纳米有关文献摘录自网上　　www.nm863.com

　　7、杨艳等4人凹凸棒/聚合物复合材料研究进展　　“化工新型材料” 2006.11 PP1-3

　　8、田惠卿等4人坡缕石/聚丙烯酸纳米吸水保水复合材料的制备与性能研究　　化工新型材料 2006.4 PP44-46

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