《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》是江蘇亨通光電股份有限公司於2014年8月21日申請的專利，該專利的公布號為CN104176926A，授權公布日為2014年12月3日，發明人是王友兵、高安敏、江平、肖華、屠建賓、勞雪剛、趙奉闊、李曉東。
《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》提供了一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其確保沉積初期具有較高的沉積速率和粉塵收集率、同時確保在沉積後期直徑較大時，疏鬆體具有足夠高的密度，較高的沉積速率，且表面沒有螺旋紋現象，可實現高效合成大直徑光纖預製棒，既降低光棒製造成本，也降低後續拉制光纖的成本。其通過外氣相沉積法對起始棒進行表面逐層沉積並形成光纖預製棒母棒疏鬆體，噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動，其特徵在於：在沉積前階段使用小口徑噴燈、口徑為D1，在沉積後階段經過噴燈切換後使用大口徑噴燈、口徑為D2。
2020年7月14日，《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置
- 申請人：江蘇亨通光電股份有限公司
- 申請日：2014年8月21日
- 申請號：2014104147077
- 公布號：CN104176926A
- 公布日：2014年12月3日
- 發明人：王友兵、高安敏、江平、肖華、屠建賓、勞雪剛、趙奉闊、李曉東
- 地址：江蘇省蘇州市吳江區經濟開發區亨通路100號
- Int. Cl.：C03B37/018(2006.01)I
- 代理機構：北京科億智慧財產權代理事務所
- 代理人：湯東鳳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
外氣相沉積法，尤其是OVD法（Outside Vapor Deposition）是製造光纖預製棒的主流方法。與其它方法相比，其具有製造成本低、生產效率高的優勢。該方法是在一根起始棒（或稱種棒、靶棒、芯棒）表面逐層沉積並形成光纖預製棒母棒疏鬆體（簡稱光棒疏鬆體）。
2014年之前的OVD法沉積設備如圖1所示，主要包括單組的噴燈2、抽風口4、夾具5、引桿6、轉動裝置7、箱體8，及外部的升降裝置和原料氣體供應系統（未畫出）。兩端的夾具固定起始棒1，沉積過程中，轉動裝置帶動夾具及起始棒1持續轉動，單個噴燈2與起始棒在起始棒1軸向上也有相對往復移動速度，軸向相對移動可由升降裝置帶動起始棒移動或由升降裝置帶動噴燈移動來實現，由噴燈噴射出的原料在噴燈火焰中反應後沉積在起始棒表面形成光棒疏鬆體，光棒疏鬆體逐漸增大，直至目標重量或目標直徑。
在整個沉積過程中，疏鬆體直徑始終在逐漸增大。對同一規格噴燈來說，疏鬆體直徑不同時沉積速率和粉塵收集率也將不同，一般直徑越大，沉積速率和粉塵收集率也越大，直徑較小時沉積速率和收集率較小。另一方面，隨著疏鬆體直徑的增大，即使增大氣體流量，疏鬆體密度也難以達到理想高度，疏鬆體直徑過大時疏鬆體開裂機率將顯著增大，同時，直徑過大時，疏鬆體表面也將出現螺旋紋。疏鬆體直徑越大、密度越大，製得的光棒也將越大。為降低光纖預製棒製造成本，提高沉積速率和收集率、製造大尺寸光棒，是發展的必然方向。
公開號為CN 1606534A的專利通過降低轉速和相對移動速度以保持沉積點相對線速度不變或減小，隨著疏鬆體直徑增大，這樣會使表面出現螺旋紋，難以製備大直徑疏鬆體。
公開號為CN 102923942 A的專利用VAD法製備芯棒，將套管與該芯棒組合後融合成不完整的光棒，以此為種棒用OVD法沉積光棒，此方法效率較高，且可製備大直徑光棒，但多了一步套管法制棒的工序，且用到高純石英套管，不利於降低成本。公開號為CN 102757179 A的專利存在同樣問題。
公開號為CN 101565272A的專利通過提高沉積初期火焰溫度和加大沉積初期相對移動速度來解決靶棒較細時沉積速率低的問題，此方法容易引起界面出現螺旋紋、難以玻璃化和氣泡等問題，且此方法未能解決疏鬆體直徑較大時存在的沉積速率不能繼續提高、易開裂及直徑波動的問題。
發明內容
專利目的
《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》提供了一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其確保沉積初期具有較高的沉積速率和粉塵收集率、同時確保在沉積後期直徑較大時，疏鬆體具有足夠高的密度，較高的沉積速率，且表面沒有螺旋紋現象，可實現高效合成大直徑光纖預製棒，既降低光棒製造成本，也降低後續拉制光纖的成本。
技術方案
一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其技術方案是這樣的：其通過外氣相沉積法對起始棒進行表面逐層沉積並形成光纖預製棒母棒疏鬆體，噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動，其特徵在於：在沉積前階段使用小口徑噴燈、口徑為D1，在沉積後階段經過噴燈切換後使用大口徑噴燈、口徑為D2。
其進一步特徵在於：所述噴燈切換在所述光纖預製棒母棒疏鬆體的直徑為目標直徑1/2～2/3時進行，噴燈切換完成後小口徑噴燈的噴口遠離所述起始棒的外環面、小口徑噴燈原料和氣體逐漸關閉，大口徑的噴燈的噴口朝向所述起始棒的外環面、進行噴射；
所述噴燈切換前，大口徑噴燈的原料和氣體流量調至穩定狀態；所述D2/D1＝1.2～2，具體數值與期望製備的光纖預製棒母棒疏鬆體的目標直徑有關，目標直徑越大，D2/D1的值越大；所述噴燈切換可以是兩組噴燈之間平行移動完成切換；所述噴燈切換也可以是兩組噴燈之間以旋轉方式完成切換；所述噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動可以是簡單的直線往復運動，也可以是停頓位置遞進錯開的直線往復移動方式；隨著疏鬆體直徑的增大，噴燈會逐漸遠離起始棒，但噴燈與沉積表面距離逐漸減小或保持不變。
由於該方法不依賴重力完成噴射，使得該方法在橫向外氣相沉積法和縱向外氣相沉積法中均適用。
一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置，其技術方案是這樣的：其包括噴燈、抽風口、夾具、引桿、轉動裝置、箱體，所述箱體的內部兩端分別布置有夾具，所述夾具通過所述引桿分別連線有所述轉動裝置，所述箱體的一側設定有抽風口，所述箱體的內部布置有噴燈，起始棒的兩端分別裝於兩端的所述夾具內，其特徵在於：所述噴燈包括兩組噴燈口直徑不等的噴燈，分別為小口徑噴燈組、大口徑噴燈組，小口徑噴燈組、大口徑噴燈組的噴燈口不同時朝向所述起始棒的外環面，同一組噴燈內的噴燈的沿著起始棒的軸向順次布置，同一組噴燈組的噴燈的噴燈口的朝向互相平行，小口徑噴燈組、大口徑噴燈組之間通過切換結構調整噴燈口朝向。
其進一步特徵在於：所述切換結構具體為平移切換結構；所述平移切換結構包括平移框架，所述平移框架的前端兩側分別連線所述小口徑噴燈組、大口徑噴燈組，所述平移框架的後端緊固有螺母，伺服電機的輸出端外接有絲桿，所述絲桿螺紋套裝於所述螺母內；所述小口徑噴燈組、大口徑噴燈組的中心線間距a為兩種噴燈平均口徑的2.5～5倍，即a的取值範圍為（2.5～5）×（D1+D2）/2；確保切換在0.2～0.5分鐘內完成；所述切換結構具體為旋轉切換結構；所述旋轉切換結構包括中心桿、旋轉框架，所述旋轉框架包括中心套筒、兩根連線桿，所述中心套筒套裝於所述中心桿，兩根所述連線桿成角布置於所述中心套筒的外環面，兩根所述連線桿徑向布置於所述中心套筒的外環面；兩根所述連線桿的長度相同，兩根所述連線桿所在平面成角根據中心桿與沉積面距離定，確保噴燈的噴射物噴向疏鬆體的外環面、並確保切換在0.2～0.5分鐘內完成。
改善效果
採用《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》的結構後，在沉積前階段使用小口徑噴燈、口徑為D1，確保沉積初期具有較高的沉積速率和粉塵收集率；在沉積後階段經過噴燈切換後使用大口徑噴燈、口徑為D2，確保在沉積後期直徑較大時，疏鬆體具有足夠高的密度，較高的沉積速率，且表面沒有螺旋紋現象，可實現高效合成大直徑光纖預製棒，既可降低光棒製造成本，也可降低後續拉制光纖的成本。
附圖說明
圖1為2014年之前的OVD法沉積設備結構示意圖；
圖2為《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》的主視圖結構示意圖；
圖3是噴燈的結構示意圖，D為噴口直徑；
圖4是兩組噴燈平移切換裝置俯視示意圖；
圖5是兩組噴燈旋轉切換裝置俯視示意圖；
圖6是噴燈沉積相對移動方式的停頓位置遞進錯開的直線往復移動方式示意圖；
圖7是實驗一和實驗二的疏鬆體直徑對比分析圖；
圖8是實驗一和實驗二的疏鬆體重量對比分析圖；
圖9是實驗二和實驗三的疏鬆體密度對比分析圖；
圖中各序號所對應的標註名稱如下：起始棒1、噴燈2、疏鬆體3、抽風口4、夾具5、引桿6、轉動裝置7、箱體8、平移框架、9、螺母10、伺服電機、11、絲桿12、中心桿、13、中心套筒、14、兩根連線桿、15、鍵16、小口徑噴燈組2a、大口徑噴燈組2b。
技術領域
《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》涉及光纖預製棒製造的技術領域，具體為一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》還提供了一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置。
權利要求
1.一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其技術方案是這樣的：其通過外氣相沉積法對起始棒進行表面逐層沉積並形成光纖預製棒母棒疏鬆體，噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動，其特徵在於：在沉積前階段使用小口徑噴燈、口徑為D1，在沉積後階段經過噴燈切換後使用大口徑噴燈、口徑為D2。
2.如權利要求1所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其特徵在於：所述噴燈切換在所述光纖預製棒母棒疏鬆體的直徑為目標直徑1/2～2/3時進行，噴燈切換完成後小口徑噴燈的噴口遠離所述起始棒的外環面、小口徑噴燈原料和氣體逐漸關閉，大口徑的噴燈的噴口朝向所述起始棒的外環面、進行噴射。
3.如權利要求2所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其特徵在於：所述噴燈切換前，大口徑噴燈的原料和氣體流量調至穩定狀態。
4.如權利要求1所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其特徵在於：所述D2/D1＝1.2～2，具體數值與期望製備的光纖預製棒母棒疏鬆體的目標直徑有關，目標直徑越大，D2/D1的值越大。
5.如權利要求1所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其特徵在於：所述噴燈切換是兩組噴燈之間平行移動完成切換。
6.如權利要求1所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其特徵在於：所述噴燈切換是兩組噴燈之間以旋轉方式完成切換。
7.一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置，其包括噴燈、抽風口、夾具、引桿、轉動裝置、箱體，所述箱體的內部兩端分別布置有夾具，所述夾具通過所述引桿分別連線有所述轉動裝置，所述箱體的一側設定有抽風口，所述箱體的內部布置有噴燈，起始棒的兩端分別裝於兩端的所述夾具內，其特徵在於：所述噴燈包括兩組噴燈口直徑不等的噴燈，分別為小口徑噴燈組、大口徑噴燈組，小口徑噴燈組、大口徑噴燈組的噴燈口不同時朝向所述起始棒的外環面，同一組噴燈內的噴燈的沿著起始棒的軸向順次布置，同一組噴燈組的噴燈的噴燈口的朝向互相平行，小口徑噴燈組、大口徑噴燈組之間通過切換結構調整噴燈口朝向。
8.如權利要求7所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置，其特徵在於：所述切換結構具體為平移切換結構；所述平移切換結構包括平移框架，所述平移框架的前端兩側分別連線所述小口徑噴燈組、大口徑噴燈組，所述平移框架的後端緊固有螺母，伺服電機的輸出端外接有絲桿，所述絲桿螺紋套裝於所述螺母內。
9.如權利要求7所述的一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置，其特徵在於：所述切換結構具體為旋轉切換結構；所述旋轉切換結構包括中心桿、旋轉框架，所述旋轉框架包括中心套筒、兩根連線桿，所述中心套筒套裝於所述中心桿，兩根所述連線桿成角布置於所述中心套筒的外環面，兩根所述連線桿徑向布置於所述中心套筒的外環面。
實施方式
一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法，其通過外氣相沉積法對起始棒進行表面逐層沉積並形成光纖預製棒母棒疏鬆體，噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動，在沉積前階段使用小口徑噴燈、口徑為D1，在沉積後階段經過噴燈切換後使用大口徑噴燈、口徑為D2。其中D2/D1＝1.2～2，具體數值與期望製備的光纖預製棒母棒疏鬆體的目標直徑有關，目標直徑越大，D2/D1的值越大；噴燈切換在光纖預製棒母棒疏鬆體的直徑為目標直徑1/2～2/3時進行，噴燈切換完成後小口徑噴燈的噴口遠離起始棒的外環面、小口徑噴燈原料和氣體逐漸關閉，大口徑的噴燈的噴口朝向起始棒的外環面、進行噴射；噴燈切換前，大口徑噴燈的原料和氣體流量調至穩定狀態。
噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動包括兩種情況：a噴燈運動、起始棒軸向不運動；b起始棒軸向運動、噴燈位置固定；a和b兩種情況皆可。噴燈相對於起始棒做軸向的往復運動可以是簡單的直線往復運動，也可以是停頓位置遞進錯開的直線往復移動方式，具體方式見圖6。
噴燈切換可以是兩組噴燈之間平行移動完成切換、也可以是兩組噴燈之間以旋轉方式完成切換。
隨著疏鬆體直徑的增大，噴燈會逐漸遠離起始棒，但噴燈與沉積表面距離逐漸減小或保持不變。
由於該方法不依賴重力完成噴射，使得該方法在橫向外氣相沉積法和縱向外氣相沉積法中均適用。
一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置，見圖2～圖5，其包括噴燈2、抽風口4、夾具5、引桿6、轉動裝置7、箱體8，箱體8的內部兩端分別布置有夾具5，夾具5通過引桿6分別連線有轉動裝置7，箱體8的一側設定有抽風口4，箱體8的內部布置有噴燈2，起始棒1的兩端分別裝於兩端的夾具5內，噴燈2包括兩組噴燈口直徑不等的噴燈，分別為小口徑噴燈組2a、大口徑噴燈組2b，小口徑噴燈組2a、大口徑噴燈組2b的噴燈口不同時朝向起始棒1的外環面，同一組噴燈內的噴燈的沿著起始棒1的軸向順次平行布置，同一組噴燈組的噴燈的噴燈口的朝向一致，小口徑噴燈組2a、大口徑噴燈組2b之間通過切換結構調整噴燈口朝向。
合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置的具體實施例一：切換結構具體為平移切換結構；平移切換結構包括平移框架9，平移框架9的前端兩側分別連線小口徑噴燈組2a、大口徑噴燈組2b，平移框架9的後端緊固有螺母10，伺服電機11的輸出端外接有絲桿12，絲桿12螺紋套裝於螺母10內；小口徑噴燈組、大口徑噴燈組的中心線間距a為兩種噴燈平均口徑的2.5～5倍，即a的取值範圍為（2.5～5）×（D1+D2）/2。
合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的裝置的具體實施例二：切換結構具體為旋轉切換結構；旋轉切換結構包括中心桿13、旋轉框架，旋轉框架包括中心套筒14、兩根連線桿15，中心套筒15套裝於中心桿13，兩根連線桿15成角布置於中心套筒15的外環面，兩根連線桿15徑向布置於中心套筒14的外環面，中心套筒14的內環面和中心桿13的外環面通過鍵16確定圓周位置，中心桿13外接轉動驅動裝置（圖中未畫出，屬於2014年之前的成熟連線結構），兩根連線桿15的長度相同。
下面通過一組實驗具體描述《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》方法後的有益效果：用OVD法製造光纖預製棒疏鬆體，反應原料SiCl4、可燃氣體（一般為氫氣、甲烷、丙烷）、助燃氣體（氧氣）、保護氣體（一般為氧氣或惰性氣體）及載氣（一般為氧氣或惰性氣體）通過供料、供氣系統輸送至噴燈2中。可燃氣體由噴燈2噴出，在箱體8內燃燒，反應原料在火焰中發生水解反應和氧化反應，生成SiO2粉塵，部分粉塵沉積在起始棒1上形成光棒疏鬆體3，並逐漸長大，未沉積的SiO2粉塵由抽風口4排出。
在整個沉積過程中，起始棒由轉動裝置帶動始終在轉動，轉速可根據需要進行調節，一般沉積前期轉速較快（100～200轉/分鐘），隨著疏鬆體直徑的增大，為了控制疏鬆體密度達到一定水平，以及避免出現螺旋紋，一般轉速需逐漸降低（50～100轉）。
整個沉積過程中，除起始棒始終在轉動外，在起始棒軸向方向上，起始棒與噴燈始終存在相對移動，該相對移動可通過起始棒移動實現，也可通過噴燈移動實現，一般疏鬆體直徑較小時，該相對移動速度較快（2000～10000毫米/分鐘），隨著疏鬆體直徑的增大，同樣為保證密度達到一定水平，以及避免出現螺旋紋，相對移動速度一般需逐漸降低（200～2000毫米/分鐘）。相對移動可以是噴燈從疏鬆體一端移至另一端，然後快速返回至原位，如此反覆運動直至沉積結束。多噴燈沉積時，也可以按圖6所示方式移動，有多個折返點，折返點在疏鬆體軸向上錯開分布，避免出現直徑不均勻和密度不均勻。
另外，隨著疏鬆體直徑的增大，噴燈會逐漸遠離起始棒，但噴燈與沉積表面距離逐漸減小或保持不變。
實驗一：採用如圖1所示多噴燈沉積工藝，使用氫氣作為可燃氣體，氧氣作為助燃氣體和載氣，氬氣作為保護氣體。原料和各氣體由噴燈2噴出，反應生成的SiO2粉塵在起始棒1表面沉積形成疏鬆體3。起始轉動速度180轉，後逐漸降至80轉；起始相對移動速度為4000毫米/分鐘，後逐漸降至1000毫米/分鐘；起始棒固定，噴燈相對起始棒往復移動，移動方式如圖6所示。僅使用一組噴燈2，噴燈口徑為D0，沉積14小時。製備的光棒疏鬆體最大直徑326毫米，平均密度0.446克/立方厘米。表面有螺旋波紋，波峰波谷高度差2毫米。
實驗二：採用如圖2所示多噴燈沉積工藝，使用氫氣作為可燃氣體，氧氣作為助燃氣體和載氣，氬氣作為保護氣體。原料和各氣體由噴燈2噴出，反應生成的SiO2粉塵在起始棒1表面沉積形成疏鬆體3。起始轉動速度180轉，後逐漸降至80轉；起始相對移動速度為4000毫米/分鐘，後逐漸降至1000毫米/分鐘；起始棒固定，噴燈相對起始棒往復移動，移動方式如圖6所示。
前階段使用口徑較小的噴燈2a沉積疏鬆體，疏鬆體直徑為180毫米時，按圖4所示平移方式切換為口徑較大的噴燈2b進行沉積。噴燈2a口徑D1＝0.9D0，噴燈2b口徑D2＝1.2 D0（D2/D1＝1.33）；噴燈組的中心線間距a為3.5*（D1+D2）/2。20秒內勻速完成平移。之後通過噴燈2b進行沉積，噴燈2a、噴燈2b完成的沉積時間總和為14小時。
製備的光棒疏鬆體最大直徑340毫米，平均密度0.534克/立方厘米，直徑均勻。與實驗一製備的光棒疏鬆體相比，同樣沉積時間，實驗二製備的光棒疏鬆體直徑增大14毫米，如圖7所示；重量增加30％，如圖8所示。
實驗三：採用如圖1所示多噴燈沉積工藝，使用氫氣作為可燃氣體，氧氣作為助燃氣體和載氣，氬氣作為保護氣體。原料和各氣體由噴燈2噴出，反應生成的SiO2粉塵在起始棒1表面沉積形成疏鬆體3。起始轉動速度180轉，後逐漸降至80轉；起始相對移動速度為4000毫米/分鐘，後逐漸降至1000毫米/分鐘；起始棒固定，噴燈相對起始棒往復移動，移動方式如圖6所示。
使用一組噴燈2，噴燈口徑為D0。疏鬆體目標直徑340毫米。製備的光棒疏鬆體平均密度0.414克/立方厘米。表面有螺旋波紋，波峰波谷高度差4毫米。根據沉積過程中直徑和重量變化計算出光棒疏鬆體徑向密度變化情況，結果顯示實驗二製備的光棒疏鬆體徑向密度與實施例三製備的疏鬆體相比提高較多，直徑越大提高越明顯，如圖9所示。
綜上，採用《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》後，可確保沉積初期具有較高的沉積速率和粉塵收集率、同時確保在沉積後期直徑較大時，疏鬆體具有足夠高的密度，較高的沉積速率，且表面沒有螺旋紋現象，可實現高效合成大直徑光纖預製棒，既降低光棒製造成本，也降低後續拉制光纖的成本。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種合成大直徑光纖預製棒疏鬆體的方法及裝置》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
