第3章光缆材料优秀PPT.ppt

第3章光缆材料现在学习的是第1页，共41页3.1 光纤材料3.2光纤被覆材料3.3填充阻水材料3.4 光缆用加强件材料3.5 护套材料现在学习的是第2页，共41页3.1 光纤材料光纤材料目前主要使用的光纤材料以石英玻璃为主，石英玻璃光纤在通信领域应用最广，制造技术最成熟。另外有机玻璃、聚苯乙烯也在研究中。在自然界中最常见的石英就是石英晶体，它是一种坚硬、脆性、难熔的无色固体。石英晶体在1627左右熔化成黏稠液体，内部结构变成无规则状态，冷却时因为粘度大不易再结晶，变成过冷液体，称为石英玻璃。它膨胀系数很小，能经受温度剧变，它不溶于水，对各种酸包括强酸、氧化性酸都有抗耐性（氢氟酸除外），具有以下主要特性。现在学习的是第3页，共41页3.1 光纤材料光纤材料（1）光学性质 石英玻璃透光率极高，纯石英玻璃光吸收极少，理论上只有0.16dB/m。光在石英玻璃传导产生的损耗主要是氢氧根离子和各种过渡金属离子造成的，它们各有自己的吸收带。如百万分之一的铜离子在波长为800nm附近，会造成几百dB/m的衰减。而百万分之一的OH离子在波长为800nm处，会造成0.1 dB/m的衰减；在波长为950nm处，会造成1dB/m的衰减；在波长为1240nm处，会造成1.7dB/m的衰减；在波长为1390nm处，会造成35dB/m的衰减。所以这些杂志的浓度在光纤中应在百万分之一或十亿分之一。现在学习的是第4页，共41页3.1 光纤材料光纤材料（2）热性质 热稳定性和耐热性很高，温度高时不会发生老化或化学反应。纯石英玻璃即使在赤热状态下直接放入水中也不开裂。但普通的玻璃受温度剧变时，也会因为产生内应力而破裂。纯石英玻璃膨胀系数很小，为5.510-71/K。导热系数也很小，玻璃的抗拉强度和导热性越小，膨胀系数越大，越易破裂。现在学习的是第5页，共41页3.1 光纤材料光纤材料（3）力学性质 弹性变形很小，受力后不发生残余变形，有较高的硬度，耐压强度高。玻璃是典型脆性体，在破坏之前，看不出明显变形，耐冲击韧性差。（4）化学性质 对酸的抵抗力极强，除氢氟酸外，其它酸对玻璃都产生不腐蚀。但对碱抵抗力较差，而且温度越高，碱液对玻璃破坏作用越大。现在学习的是第6页，共41页3.1 光纤材料光纤材料（5）电性能 纯石英玻璃结构紧密，介电常数很小，只有3.5左右，tan=0.0002，v=1016m，而它们与温度和频率关系不大。玻璃的耐电强度在均匀电场中很高，可达500kV/m，而在不均匀电场中由于边缘效应的影响，在很低的电场下即可发生放电。光缆中的光纤玻璃是高纯材料，需要特殊制造方法，主要是气相沉淀法，是通过极易挥发的四氯化硅与氧气的气相反应，沉淀出SiO2制成的。现在学习的是第7页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料光纤是脆性易断材料，其外径100微米到150微米，在不加被覆材料时，由于光纤在空气中裸露，表面缺陷会扩大并造成应力集中，因而，光纤的强度极低，即使在100克左右拉力作用，光纤也会断裂。为了保护光纤，提高其抗拉强度和抗弯强度，在拉制光纤时要给裸光纤进行一次涂覆。经一次涂覆后的光纤，其机械强度仍较低，如不经进一步的增强仍是无法使用的。光纤二次被覆就是加在光纤一次被覆层或缓冲层上的保护层，它可以保持或提高光纤抗纵向和径向应力的能力，方便后面加工。二次被覆又称为套塑，二次被覆后形成套塑管。现在学习的是第8页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料3.2.1光纤一次涂覆材料 目前已广泛使用一次涂覆材料是有机涂料，它在高温或光作用下，溶剂逐渐挥发，高聚物分子的剩余官能团之间进行反应，最后形成高度交联的热固性漆膜。主要有热固化型和光固化型的有机硅，聚氨酯，环氧树脂等。对涂料基本要求：流平性能好，热膨胀系数小，而且随温度变化小，耐环境性能好，有适合强度和模量，在使用条件下不析氢，固化收缩小，吸潮小等。同时还必须考虑涂层与光纤的粘结强度和涂层的可剥离性。现在学习的是第9页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料（1）有机硅涂料 具有耐高温，柔软，弹性好、杨氏模量小且随温度变化小，高低温性能稳定，耐紫外光，耐臭氧，耐辐射，无毒无味，使用方便等优点。是特别适合军用和高可靠的民用光纤一次涂覆层。即可采用热固化也可采用紫外光固化。（2）聚氨酯丙烯酸涂料 聚氨酯丙烯酸涂料耐磨性强、耐水、耐化学腐蚀、耐热、绝缘性好，它比有机硅涂层更薄，固化速度更快。现在学习的是第10页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料2.2.2光纤二次被覆（套塑）材料 光纤套塑要求套塑材料热膨胀系数小，短期及长期收缩小，被覆工艺易于控制，被覆管内外光滑，化学及热稳定性好，有适当的抗拉强度和杨氏模量。为适应大芯数光缆用的大松套管还要求被覆材料具有良好的抗弯折性、抗扭性和易开剥性。二次被覆材料主要有聚丙烯，尼龙12，聚酯弹性体，PBT，氟-46，纤维增塑料，定向拉伸材料（如聚甲醛）以及液晶材料。现在学习的是第11页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料（1）聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）PBT材料的分子量足够大时，材料的抗张强度、弯曲强度、冲击强度、杨氏模量就高，PBT松套管就有优良的耐轴向拉力、耐径向侧压力和耐冲击力、对光纤提供最好的保护。PBT材料为酯类高聚物，有良好的耐溶剂、耐油、耐化学腐蚀特性，与光纤填充油膏和光缆填充油膏有很好的相容性，得到广泛应用。其主要特性：收缩性小；耐水解性强；线性热膨胀系数小；拉伸强度 55MPa 弯曲弹性模量为2.2GPa，易于加工；有良好的耐溶剂、耐油、耐化学腐蚀特性，与纤膏和缆膏有很好的相容性，结晶度高；由于PBT材料的熔体流动性好，结晶速度快，成形周期短。现在学习的是第12页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料（2）尼龙-12 它密度小，摩擦系数小。耐热冲击性好，使用温度宽广，成型温度较宽，可用普通螺杆加工被覆层。（3）聚丙烯 优点：加工性能好，吸湿小，密度小，价廉，原料来源丰实。近年来国外开发的具有耐弯折、耐扭结、抗湿热、易开剥及低成本的改性PP，特别适用于未来的大芯输高密度型光缆。现在学习的是第13页，共41页3.2光纤被覆材料光纤被覆材料（4）光纤用液晶聚酯 它是目前最新开发的一种高性能光纤二次被覆盖材料，它的特点是高强度、高模量、低线膨胀系数。作用光纤用液晶聚酯必须保证在适当高强度、高模量的同时，保证低的线膨胀系数和较好的柔软性，并且易于被覆在光纤上。因而必须对常规液晶聚酯进行改性。目前国外只有少数公司开发了这种新型光纤被覆材料，国内已研制成功用于光纤的以涤纶树脂PET为原料之一的液晶聚酯。现在学习的是第14页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料在采用各种材料制造光纤的过程中，其内部结构中会产生一些空隙，这些空隙在光缆破损时会成为水和潮气的通路，对光缆造成危害。光缆行业为了消除此类空隙带来的潜在影响，采取了多种方法。目前较为常见的方法是采用填充油膏和膨胀材料。现在学习的是第15页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料2.3.1 填充油膏 光缆用填充膏主要分两大类：1）填充于直接与光纤接触的场合，例如松套管（松包缓冲管和骨架槽）内，称为纤膏。2）填充在不直接与光纤接触的场合，如缆芯、绞合钢丝空隙间，称为缆膏。纤膏要求更柔软，收缩更小、线膨胀系数更小和清洁。现在学习的是第16页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料 油膏的要求：膏体稳定，高度憎水；与光纤及光缆的其它材料相容性要好，无化学腐蚀，不影响光学和力学性质；在使用温度范围内柔软，线膨胀系数小，热收缩小，有较高的滴点，使用温度下不滴流；材料本身不析氢（或微析氢），在使用条件下不影响光纤衰减；充填容易，控制方便，无毒，使用安全，贮存时间长；易于清洁、便于使用，价格低。这些要求不可能一一满足，应根据具体的使用环境有所侧重。现在学习的是第17页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料1.光纤油膏 光纤油膏是将一种（或几种）胶凝剂分散到一种（或几种）基础油中，从而形成一种稠粘性的半固体物质，为了改善有关性能，而需加入少量的抗氧剂或其它添加剂（如防腐剂、表面活性剂、氢气清除剂等）。现在学习的是第18页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料（）纤膏与其他材料间应具有极好的相容性。纤膏是填充在松套管中的，纤膏与松套管材料直接接触，纤膏同其它化学品一样会对松套管材料进行吸收，使材料质量变化，同时松套管材料也对油膏进行吸收，产生膨胀现象。由于油膏与松套管材料之间的相互吸收或渗透，使松套管材料中产生化学侵蚀，造成松套管材料性能下降，影响光缆使用寿命。同样，光纤浸泡在纤膏中，也存在着相容性问题，一旦相容性差会使光纤颜色不能区分，给维护带来不便，严重时会使光纤衰减增加，影响通信质量。现在学习的是第19页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料（）纤膏应具有良好的触变性。所谓触变性就是当油膏受外力剪切时，其粘度会降低；当外力撤除后，其粘度又能恢复的现象。光缆在制造过程中，油膏是通过齿轮泵填充在套管中，此时要求油膏粘度要小，便于填充，当油膏填充入套管后，就要求油膏处于相对稳定的胶体状态，很好地将光纤保护起来。现在学习的是第20页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料（）纤膏应具有极低的析氢。纤膏是由各种不同的物质所组成的混合物，纤膏本身会产生微量的氢，氢是一种分子最小的物质，随着浓度的增大，氢原子极易渗透进入光纤中，与光纤二氧化硅中氧健结合形成氢损，纤膏析氢多，可直接造成光纤的衰减增大，因此纤膏析氢必须控制在一定的范围之内，才不至于影响光纤的损耗特性。现在学习的是第21页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料（）必须具有良好的温度特性。由于光缆是架设在室外，受地域及环境的影响，要求光缆使用温度范围广，为了保证光纤在较宽的温度范围内有良好的传输特性，就要求纤膏在高温下不易产生油分离，保证松套管内纤膏在高温下不滴流，低温下不凝固。现在学习的是第22页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料缆膏 缆膏是填充在光缆缆芯空隙中的油膏，它是由矿物油，偶联剂，增粘剂，抗氧剂等材料在一定的工艺条件下制成，一般是淡黄色半透明的膏状物。光缆填充缆膏一般可分为普通缆膏及膨胀阻水缆膏，膨胀阻水缆膏主要在配方中加入一种高分子吸水膨胀树脂，遇水后膨胀，即使在光缆填充不是很饱满的状态下，亦能有效地起到阻水作用。现在学习的是第23页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料由于缆膏直接与多种材料相接触，相容性是光缆填充油膏的一个重要指标。光缆油膏直接与金属加强件接触，会产生电化学反应，产生相对较高浓度的氢，造成氢损，严重威胁着光纤的损耗特性，氢的浓度随材料间不匹配程度的增加而增加。在选择油膏时，油膏与各材料的相容性要进行检测，检测方法可采用重量分析法和强度分析法，就是将油膏与相关材料一起在一定的高温下老化，经过一段时间后再检测其重量及机械强度的变化，来判断该油膏与材料相容性的优劣。同时油膏酸值必须控制在一定范围内，酸值过大，对各类材料的腐蚀性就大，影响各类材料的化学稳定性。现在学习的是第24页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料2.3.2 吸水膨胀材料 吸水膨胀材料有膨胀油膏、阻水带、阻水绳、阻水纱。其阻水作用是遇水膨胀来实现的。可以将高吸水材料加到油膏或粘在无纺布上。阻水带是用粘接剂将吸水树脂附在两层聚酯纤维无纺布上构成的带状材料。当渗入光缆中的水与阻水带中的吸水树脂相接触时，吸水树脂就迅速吸收渗入水，其自身体积迅速膨胀数百倍甚至上千倍，膨胀体积充满光缆间隙，从而阻止水进一步在光缆纵向和径向流动，达到阻水目的。还可以制成干式光缆，在很大程度上改善光缆施工时接续及维护工作条件，提高工作效率。现在学习的是第25页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料膨胀物质是吸水树脂，有天然的，也有合成的。主要有三类：以纤维素为基的衍生物、丙烯酰胺、聚丙烯酸酯。主要是聚丙烯酸盐。对它们主要要求是耐热，遇水迅速膨胀，高粘性凝胶且在高温下亦有长期的凝胶稳定性，没有粉末问题，无生物降解，不产生腐蚀等。阻水带除应具有良好的阻水性能和化学稳定性外，我们最关注的是阻水带在一定的时间内的吸水速率，另外阻水带还必须有良好的热稳定性，能承受成缆时瞬时高温，还应有良好的机械强度。现在学习的是第26页，共41页3.3填充阻水材料填充阻水材料2.3.3 热溶胶 为了防止光缆铠装层径向和纵向渗水，需用热熔胶对光缆铠装复合带的搭接缝进行粘接，或者用热熔胶做光缆阻水环，代替缆用填充油膏和干性阻水带，来阻止水对光缆的渗入。光缆用热熔胶必须具有粘接力强、粘接应力分布均匀、固化速度快、热稳定性好、老化性能好，以及和其它缆用材料相容性好的特点，还应有良好的韧性和低温柔性，以保证光缆在较宽温度范围内能缓冲外来的冲击力。热溶胶作用：1.增强剥离强度，对光缆铠装复合带的搭接进行粘结；2.用于束管光缆还可以减少套塑管的收缩；3.阻水作用。现在学习的是第27页，共41页3.4 光缆用加强件材料光缆用加强件材料光缆加强件置于光缆中心（或外层），是用于承受光纤可能受到的机械应力的部件，抵御光缆敷设和应用中可能产生的轴向应力，保证光纤和光缆在较大的张力作用下有较小的应变。要求有较大的抗张强度和小的延伸率，放线张力180N，加强芯的伸长量应与松套管的伸长一致。常用的加强件主要有以下几种。现在学习的是第28页，共41页3.4 光缆用加强件材料光缆用加强件材料 1.磷化钢丝 光缆中心金属加强件多用磷化钢丝而不用镀锌钢丝。因为光缆用阻水油膏呈酸性，锌元素属于活泼金属会置换出氢，氢的扩散和渗透使光纤产生氢损。选用磷化钢丝可防止光纤的氢损。磷化钢丝是在高碳钢丝表面镀上一层均匀、连续、牢固的磷化层。磷化层的重量应大于3g/m。现在学习的是第29页，共41页3.4 光缆用加强件材料光缆用加强件材料 2.玻璃钢圆棒FRP 玻璃钢中心加强件为非金属加强件，其主要特点是重量轻、机械性能和抗电磁干扰能力强。当光缆需要用于雷电频繁区和防强电场作用的电场，例如，高压电力输电线路上的全介质自承式光缆（ADSS）光缆中心加强件应选用玻璃钢加强件，以达到免遭雷电和电场作用的目的。现在学习的是第30页，共41页3.4 光缆用加强件材料光缆用加强件材料3.芳纶纱 架设在高压电力输电线路上的全介质自承式光缆（ADSS光缆），其重量不是靠悬挂钢索支承，而是靠光缆自身配置的抗拉元件玻璃钢圆棒和芳纶纱来支承自重和抗拉。芳纶纱的优点的重量轻、抗拉强度大。通常，芳纶纱被放置在光缆的内外护套之间，以赋予光缆大的纵向抗拉强度。一般，用芳纶纱作为标准元件的ADSS光缆的跨度范围为751000m。现在学习的是第31页，共41页3.5 护套材料护套材料 护套或外护层是光缆结构中最外层的保护层，主要用PE护套料和PVC护套料，特殊场合下用无卤阻燃护套料和耐电痕护套料。1.PE护套料护套料 PE是聚乙烯的简称，是由乙烯聚合而成的高分子化合物，黑色聚乙烯护套料是由聚乙烯树脂与稳定剂、碳黑、抗氧剂、增塑剂以一定比例均匀混炼造粒制成。光缆护套用聚乙烯护套料按密度可分为低密度聚乙烯(LDPE)，线性低密度聚乙烯(LLDPE)，中密度聚乙烯(MDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)。由于它们的密度、分子结构不同，所以它们具有不同的性能。现在学习的是第32页，共41页3.5 护套材料护套材料低密度聚乙烯亦称高压聚乙烯，是由乙烯在高压(1500大气压以上)200300温度，氧为催化剂的作用下共聚反应聚合而成，因此，低密度聚乙烯分子链中含有多个长短不同的支链，链支化程度较高，结构不够规整，结晶度低，具有良好的柔顺性和延伸性。高密度聚乙烯也称低压聚乙烯，是由乙烯在低压(15个大气压)，6080温度，在铝、钛催化剂作用下聚合而成，由于高密度聚乙烯的分子量分布窄，分子排列整齐有序，因而具有较好的机械性能、耐化学性好及较宽的温度使用范围。现在学习的是第33页，共41页3.5 护套材料护套材料中密度聚乙烯护套料是由高密度聚乙烯和低密度聚乙烯以适当的比例共混制得，或由乙烯单体与丙烯(或1-丁烯的第二单体)聚合而成。因而中密度聚乙烯的性能介于高密度聚乙烯与低密度聚乙烯之间，兼有低密度聚乙烯的柔韧性，高密度聚乙烯的优良的抗耐磨性和抗张强度。现在学习的是第34页，共41页3.5 护套材料护套材料线性低密度聚乙烯是由乙烯单体与2-烯烃由低压气相法或溶液法聚合而成，线性低密度聚乙烯支链度介于低密度与高密度之间，因此具有优良的耐环境应力开裂。现在学习的是第35页，共41页3.5 护套材料护套材料耐环境应力开裂是鉴定PE材料优劣的一个极为重要的指标。它是指受到弯曲应力的材料试片，在表面活性剂的环境中，出现开裂的现象。影响材料应力开裂的因素有：分子量、分子量分布、结晶度、分子链的微观结构。分子量越大，分子量分布窄，晶片与晶片间连接得较多，材料的耐环境应力开裂性能好，材料的使用寿命就长；同时材料的结晶也对该指标有影响，结晶度低，材料的耐环境应力开裂就好。现在学习的是第36页，共41页3.5 护套材料护套材料2.PVC护套料护套料 PVC阻燃料含有氯原子，在火焰上会燃烧，燃烧时分解放出大量有腐蚀和有毒的HCL气体，会造成二次危害，但是离开火焰即自行熄灭，因此具有不延燃的特性；同时PVC护套料具有良好的柔顺性和延伸性，广泛用于室内光缆。现在学习的是第37页，共41页3.5 护套材料护套材料3.无卤阻燃护套料无卤阻燃护套料 由于聚氯乙烯燃烧时会产生有毒气体，因此人们研制了一种低烟无卤无毒的洁净阻燃护套料，即在普通护套料中加入无机阻燃剂Al(OH)3和Mg(OH)2，在遇火燃烧时会释放出结晶水，同时吸收大量热量，从而阻止护套料温度的上升，阻止了燃烧。由于无卤阻燃护套料中加入无机阻燃剂，会使高聚物的电导增加，同时树脂与无机阻燃剂是完全不同的两相材料，在加工时，防止阻燃料局部混炼不均匀，无机阻燃剂加入要适量，比例过大，会使材料的机械强度和断裂伸长率大幅度下降。现在学习的是第38页，共41页3.5 护套材料护套材料评定无卤阻燃料阻燃性能的优劣的指标是氧指数和烟雾浓度。氧指数是材料在氧、氮混合气体中，维持平衡燃烧时所须的最低氧浓度。氧指数越大，说明材料的阻燃性能越好。烟雾浓度是通过指材料燃烧产生的烟雾在一定的空间和光程长度下，测定穿过烟雾的平行光束的透过率，从而计算烟雾浓度，烟雾浓度越少，表示发烟量越低，材料性能越好。现在学习的是第39页，共41页3.5 护套材料护套材料4.耐电痕护套料耐电痕护套料 在电力通信系统中与高压架空线路同塔敷设的全介质自承式光缆(ADSS)越来越多。为了克服高压感应电场对光缆护套的影响，人们新开发生产了耐电痕护套材料，该护套材料通过严格控制碳黑的含量、碳黑颗粒的大小和分布，加入特殊的添加剂使该护套材料具有优良的耐电痕性能。现在学习的是第40页，共41页思考题1.目前广泛应用的石英光纤具有什么特性？2.光纤一次涂覆材料应具有怎样的基本特性？3.目前广泛应用的二次被覆材料有哪些？4.对光缆用填充油膏的基本要求是什么？5.光缆中，热溶胶具有什么作用？6.光缆中的吸水膨胀材料主要有哪些？现在学习的是第41页，共41页