碳涂覆層光纖的主要特點(diǎn)预明，制備方式和使用環(huán)境缩赛，應(yīng)用于抗氫氣氛侵蝕撰糠。 區(qū)別于常規(guī)密封用涂覆層酥馍，碳涂覆層具有優(yōu)良的抗水汽和氫
侵蝕能力窗慎，那么碳涂敷層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制備方式是怎么樣的苞也，相對(duì)于高聚物涂覆層，碳涂覆層的優(yōu)缺點(diǎn)是什么瘫俊？在通訊和傳感行業(yè)术吗，碳
涂覆層的具體應(yīng)用又是怎樣？下面讓我們來探討一下较屿。
密封光纖是在玻璃光纖上制備有抗?jié)B透（抗侵蝕）薄層。密封光纖可提高由光纖表面損傷造成的應(yīng)力的穩(wěn)定性隘蝎，并抑制擴(kuò)散氫進(jìn)入到光
纖的纖芯购啄。傳統(tǒng)聚合物包層可一定程度阻擋液態(tài)水（水汽）但是不能隔絕水分子或更小的氫分子的擴(kuò)散。水分子加速光纖芯玻璃表面在
疲勞退化過程中的裂紋擴(kuò)展嘱么。氫原子能夠在非抗侵蝕光纖中的纖芯中快速擴(kuò)散并引起明顯的光學(xué)損耗。水和氫滲透發(fā)生在典型的通信環(huán)
境中曼振，當(dāng)光纖在這種環(huán)境中使用時(shí)几迄，會(huì)導(dǎo)致明顯問題。另外冰评，在油井中使用光纖記錄數(shù)據(jù)時(shí)映胁，光纖將會(huì)暴露在高的氫壓力級(jí)別和高溫
下，這種條件會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)光纖快速失效甲雅。盡管很多材料被用作密封光纖，但目前看來碳涂覆層可能是最有效的解決方法妆距。圖1展示了具有
碳涂覆和單層高聚物涂覆層的單模光纖函匕。
圖1. 具有碳涂覆和聚合物光纖的單模光纖（碳涂覆層的厚度被夸張表示）
像碳這樣的非延展性材料做抗?jié)B透涂覆層娱据，通常還需要用聚合物涂覆層去保護(hù)薄的抗?jié)B透層以避免劃痕或機(jī)械損傷。
歷史上有許多材料被用作光纖的抗?jié)B透層。有效的抗?jié)B透層能夠阻隔小分子擴(kuò)散到相鄰層中剩。最近研究人員將光纖的抗?jié)B透涂覆層材料聚
焦到金屬噴涂層上忌穿。通過把光纖放入熔融金屬池可以抵抗靜態(tài)疲勞和氫滲透，對(duì)低損光纖做長距離的薄層金屬涂覆很困難结啼。厚金屬層可
以避免針孔效應(yīng)掠剑，但增加的厚度通常會(huì)導(dǎo)致微彎損傷。短的金屬化的抗?jié)B透密封涂層被成功的應(yīng)用到光纖上郊愧，這種微彎損耗依舊存在朴译，
但短距離應(yīng)用属铁，這種金屬化涂覆層可以被工程師接受眠寿。
碳涂覆層光纖是在拉絲過程中就在石英表面涂敷上了碳層。厚度為20-50納米的碳可以使抗?jié)B透層抵御水和氫焦蘑，而不至于引起微彎損
傷。碳涂覆光纖被用來解決水下光纖的氫致?lián)p傷問題例嘱，保護(hù)敏感的摻鉺放大光纖，用于防止石油鉆探光纖傳感系統(tǒng)的破裂和變暗奢浑，防止
航空電子設(shè)備中緊密布線光纖的疲勞。同時(shí)類金剛石光學(xué)涂層可以為光纖設(shè)備提供硬的耐磨層腋腮，但這種“碳”涂覆層不能阻水殷费，也不防
氫。人們也試圖用金屬陶瓷保護(hù)光纖表面低葫。
通過光纖拉絲過程中蒸發(fā)濺射金屬的方式得到金屬涂覆層仍律，或者是在熔融金屬中對(duì)光纖拉絲嘿悬。如果在光纖上制備15-20微米的鋁涂覆
層，光纖平均應(yīng)力為3.4GPa水泉，斷裂應(yīng)力與應(yīng)變速率無關(guān)善涨，還有些改進(jìn)方法樣本的應(yīng)力為6.3GPa，這種金屬涂覆層能阻礙光纖表面的水
分子運(yùn)動(dòng)草则。
對(duì)這些金屬涂覆層來說有些重要的問題是增加了微彎損失钢拧。金屬涂覆層和微彎相關(guān)的損耗有以下幾個(gè)原因：典型的金屬涂覆層比較厚。
彎曲傳遞到光纖上導(dǎo)致光纖和金屬涂覆層的半永久重塑炕横，產(chǎn)生局部微彎和相關(guān)的損耗源内。另外份殿，金屬涂覆層冷卻過程中的的熱收縮導(dǎo)致了
光纖的收縮應(yīng)力嗽交，從而有橫向位移產(chǎn)生致使微彎。常規(guī)的操作夫壁，例如卷繞這些金屬涂敷層光纖也能導(dǎo)致?lián)p失。
銦涂覆層光纖沃疮，（銦-熔點(diǎn)156℃）盒让，有低的微彎損失，疲勞參數(shù)n=32司蔬，比非滲透光纖n=20的疲勞參數(shù)要高葱她。典型損耗為0.1-
0.2dB/Km撩扒，成絲纖維應(yīng)力為3.5GPa。在有些環(huán)境中可以被應(yīng)用吨些。
金屬涂覆層光纖可以使用搓谆，也能做出來，但是光損耗對(duì)很多應(yīng)用來說還是太大豪墅∪郑基于Si3N4，SiC偶器，SiON，TiC和碳的非金屬化涂覆層
可用于低損耗抗?jié)B透涂覆層屏轰。在光纖拉絲過程中使用氣相沉積法制備這些高溫涂覆層颊郎。相比鋁對(duì)于氫的擴(kuò)散阻止作用，這些無機(jī)涂覆層
（Si3N4霎苗，SiC，SiOXNY）可以直接阻斷氫且不至于引起微彎唁盏。
惠普（Hewlett Packard）實(shí)驗(yàn)室使用幾種混合氣體搞了一個(gè)配方SixCyNzOw,用以油井?dāng)?shù)據(jù)采集，這個(gè)光纖可以在200℃的高濕腐蝕
環(huán)境下探測(cè)2%的壓力變化厘擂±サ混合SiH4，CO2刽严，NH3昂灵，碳?xì)浠衔餁怏w，N2和He氣用以沉積不同元素的薄涂覆層【蠹龋惠普的這個(gè)zuanli
展示了Si-C鍵對(duì)非滲透抗疲勞功能的重要性恕曲。O和N原子在沉積過程中幫助匹配物理性質(zhì)，疲勞性能n在8-256之間渤涌，涂層厚度在10-67
納米之間。非密封光纖5GPa实蓬，密封光纖3.2GPa，但一定時(shí)間后安皱，非密封光纖的強(qiáng)度就會(huì)降低调鬓。
表1 不同碳（鍵）結(jié)構(gòu)涂覆層光纖強(qiáng)度的對(duì)比
關(guān)于涂覆層的電學(xué)特征和性能之間的關(guān)系。碳（纖維）的電阻率和水及氫的擴(kuò)散速率相關(guān)酌伊，典型的是類金剛石和石墨的區(qū)別。同時(shí)涂層
越薄居砖，強(qiáng)度越高虹脯。
圖2. 丙烯酸酯涂層水環(huán)境下強(qiáng)度變化
圖3. 碳涂覆層水環(huán)境下強(qiáng)度變化
關(guān)于光纖的碳涂層方法，碳涂層常在光纖拉絲過程后奏候。在光纖達(dá)到最終尺寸后馬上用像稀釋乙炔這樣的碳?xì)浠衔餁怏w處理循集，光纖的殘
余熱量致使碳?xì)浠衔餆岱纸狻＿@種玻璃表面的反應(yīng)產(chǎn)生了化學(xué)氣相沉積咒彤。拉絲速度、前驅(qū)碳?xì)錃怏w咒精、反應(yīng)器設(shè)計(jì)會(huì)影響沉積速率和光
纖密封性能镶柱。
碳涂覆層本身是薄脆的，并不能保護(hù)光纖免受機(jī)械損傷模叙。所以要在外面再涂一層聚合物奸例，當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)丙烯酸酯涂覆層也可以被使用向楼，也有
用聚酰亞胺涂覆層用于高溫的。對(duì)一般制作工藝而言谐区，碳涂覆層需要高速湖蜕，但聚合物涂覆層需要低速。
用碳沉積反應(yīng)器將空氣與光纖隔開宋列，并使玻璃表面和碳?xì)錃怏w在700-900℃下反應(yīng)昭抒。當(dāng)光纖以大于5m/sec拉絲時(shí)灭返，光纖拉絲爐的高溫
和反應(yīng)區(qū)域非常長盗迟。這種速度下的碳反應(yīng)器位于拉絲爐下的拉絲器熙含，有機(jī)氣體從一端引入罚缕，未反應(yīng)的氣體從另一端排出。隨拉絲速度增
加怎静，反應(yīng)區(qū)域縮小邮弹，碳反應(yīng)器需要再調(diào)節(jié)。含碳?xì)湓拥某Ｒ姺磻?yīng)物包括甲烷蚓聘、乙炔腌乡、乙烯与纽、丙烷塘装、丁二烯急迂、三氯乙烯和苯氢哮。通常使用
半透明油墨作為顏色編碼袋毙，顏色標(biāo)識(shí)在丙烯酸酯上面。黑色的半透明幽默可能使光纖看起來黯淡冗尤。
碳涂覆層抗?jié)B透光纖的應(yīng)用
水下線纜
水下光纖可能受氫氣影響導(dǎo)致光損耗听盖，那么氫氣從哪兒來呢？金屬元件（鎧纜）產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕裂七，從而產(chǎn)生氫氣背零，或者從某些類型的硅
基聚合物中釋放出氫氣腰吟。大多數(shù)情況，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)徙瓶，避免線纜同時(shí)用不同種類金屬毛雇，或避免致氫聚合物。典型的水下溫度為3-
20℃侦镇，氫和單模光纖纖芯的反應(yīng)忽略不計(jì)。
增益光纖
碳涂覆層通常用來保護(hù)摻鉺放大光纖壳繁。非抗?jié)B透光纖的彎曲半徑限制與通常的光纖相同震捣，抗?jié)B透包層光纖的疲勞問題就被消除了，可允
許有加強(qiáng)光纖纏繞盤和更緊湊的放大模塊蒿赢。許多摻鉺光纖的關(guān)鍵使用成分與氫是高度反應(yīng)的润樱。
航空電子設(shè)備
空間受限時(shí)，彎曲半徑需要更小羡棵，溫度和濕度循環(huán)使得光纖承受更大環(huán)境壓力。碳涂覆層光纖在這種易使非密封光纖疲勞失效的環(huán)境
中晾腔，有很好的作用舌稀。同時(shí)，碳涂覆層光纖比金屬涂覆層的密度低灼擂，載荷就小壁查。
地球物理傳感器
可能應(yīng)用環(huán)境最大的挑戰(zhàn)是油井的井下數(shù)據(jù)采集剔应。油井里的光纖傳感系統(tǒng)會(huì)承受高達(dá)300℃和高壓力睡腿、水汽、腐蝕氣體（如硫化氫）峻贮，
以及高濃度級(jí)別的氫氣席怪。使用高壓力的水或其他液體將光纖傳感頭安裝在不銹鋼導(dǎo)管中。當(dāng)井下的氫氣處于高溫狀態(tài)時(shí)纤控，光纖老化加
快挂捻。在這個(gè)溫度下，氫擴(kuò)散加劇刻撒，光纖芯中的摻雜劑與氫的反應(yīng)強(qiáng)度也增強(qiáng)。氫氣在光纖芯中形成有損-OH和Ge缺陷的程度極大依賴
于光纖芯玻璃的成分声怔。
一般井下環(huán)境高于150℃時(shí)選擇碳涂覆層比較合適，但需要與強(qiáng)度折中舱呻，強(qiáng)度可能只有0.7GPa醋火。使用低反應(yīng)纖芯或增加包層里反應(yīng)位
點(diǎn)濃度也可以提高光纖在高溫氫環(huán)境中暴露穩(wěn)定性箱吕。
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