本发明属于光纤
技术领域：
，涉及一种具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤。
背景技术：
：光纤作为一种介质光波导、光信号的传输线，具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高等优点，使之在光纤通信、传感、传光照明与能量信号传输等领域被广泛而大量地应用，并已成为当今信息世界的新兴支柱产业，需求非常旺盛。普通光纤主要结构包括纤芯、包层以及涂覆层，光纤应用的稳定性以及使用寿命与涂覆层有密切的关系。通常，采用紫外固化丙烯酸树脂涂层得到的普通光纤，使用温度为-60～85℃。当工作温度超过85℃时，涂覆层材料就会出现严重的老化从而失去了对光纤的保护作用，导致光纤失效。随着光纤应用环境的扩展，普通光纤已经难以适应一些特殊环境的使用要求。尤其是在高温工作环境下，需要光纤仍然能够保持良好的光学特性，从而保证其在航空航天、石油化工等领域得到充分的应用。目前，为了适应高温环境下正常工作要求，国内外研发的耐高温光纤主要有：耐高温丙烯酸树脂涂覆层光纤，最高使用温度为150℃；耐热硅胶涂层光纤，最高使用温度为200℃；聚酰亚胺涂层光纤，在300℃的环境下可长期使用，在350℃～400℃可短期使用；金属涂层光纤，可在高于400℃空气氛围使用。与前三种耐高温光纤相比，金属涂覆光纤的耐高温性能最佳，而且机械强度、耐疲劳、抗水、抗氢以及抗腐蚀等性能更好，可用于金属焊接。国内外制备金属涂层光纤的比较常见的方法主要有：熔融铸造、真空蒸镀、化学镀和电镀相结合等。其中，熔融铸造法限制较多，低熔点的金属难以实现高温应用的要求，高熔点金属又会由于熔融温度过高而对光纤强度造成损伤，甚至因为产生过大的热应力而使光纤断裂，另外，该法也难以保证金属均匀地涂层在光纤表面，会降低光纤与涂层之间的结合强度；采用真空蒸镀法得到的金属膜与基体之间的结合力较弱，而且低蒸气压、高熔点的材料难以实现真空镀膜；化学镀和电镀相结合法要预先对光纤进行粗化、敏化等处理会对光纤表面造成损伤影响光纤的物理机械性能，所得到的金属涂层与光纤表面的结合强度较弱且均一性也差。通过这些常规方法得到的金属涂层光纤，在超高温环境下，如1000℃以上，由于光纤与镀层金属以及镀层金属之间具有不同热膨胀系数，会产生较大的热应力导致镀层金属膜内产生裂纹甚至脱落，同时过大的热应力可能导致光纤断裂，使光纤失效，限制了金属涂覆光纤的使用范围。技术实现要素：本发明针对现有金属涂层光纤技术中的问题，提出了一种具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤，在超高温度环境中，如1000℃以上，仍能够正常工作。为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤,其特征在于，包括石英光纤，所述的石英光纤为普通光纤本体，仅包括纤芯和包层，在所述的包层的外表面依次涂覆有粘合层，梯度结构过渡层，导电层以及保护层。进一步地，本发明中粘合层是通过磁控溅射金属或者陶瓷材料所形成的，所述的粘合层厚度为50-100nm。进一步地，本发明中梯度结构过渡层是通过对粘合层材料和导电层金属材料共溅射而得到的梯度复合材料，所述梯度结构过渡层有别于其他简单的混合或复合，能有效避免结构特征尺寸突变引起的性能突变，可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调，可以降低镀层的内应力，防止薄膜内裂纹的萌生，进而提高薄膜材料的整体性能和质量，所述的梯度结构过渡层厚度为500nm左右。进一步地，本发明中导电层是通过磁控溅射金属材料形成的，确保后续电镀顺利进行，所述的导电层厚度为80-120nm。进一步地，本发明中保护层是通过电镀金属材料形成的，使得光纤具有一定的机械强度而不易折断，所述的保护层厚度为100-200um。与已有技术相比，本发明产生的有益效果是：采用本发明的具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤，在不明显改变光纤机械强度和各种光学特性的情况下，可以在超高温恶劣环境下，如1000℃以上，仍能够正常工作，使光纤在航空航天、石油化工等领域得到充分的应用成为可能。附图说明图1是本发明中具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤的横截面示意图，图中标号表示：1-石英光纤，2-粘合层，3-梯度结构过渡层，4-导电层，5-保护层图2是本发明中的梯度结构过渡层的设计配比简图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。如图1所示，本发明实施例的具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤，包括石英光纤1，所述的石英光纤为普通光纤本体，仅包括纤芯和包层，在所述的包层的外表面依次涂覆有通过磁控溅射得到的粘合层2，梯度结构过渡层3，导电层4以及电镀得到的保护层5。磁控溅射的原理是稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。磁控溅射与其他镀膜技术相比有如下特点：可制备靶的材料广，几乎所有的金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；镀膜致密，附着性好等优点。实施例1：以下介绍本实施例耐高温光纤形成的步骤：(1)光纤的预处理与固定首先对普通光纤进行去有机涂覆层处理，得到仅包括纤芯和包层的石英光纤本体，便于后续镀膜。由于光纤是圆柱形表面的基体，普通磁控溅射设备难以将光纤的侧面均匀地包裹涂覆，所以为了使溅射到光纤表面的涂覆材料均一且结合性好，可对已有的磁控溅射镀膜机进行改造。光纤固定完成后，用无水乙醇清洗光纤表面，无水乙醇沿光纤流下至无小液滴吸附时说明清洁干净。磁控溅射前一定要保证光纤表面清洁干燥、无水污渍等杂质存在，否则会严重影响溅射金属与光纤表面的结合强度。(2)在光纤表面通过磁控溅射镀膜依次形成粘合层、梯度结构过渡层以及导电层将固定好光纤的旋转夹具接入经过改造的磁控溅射炉腔的电机上，准备镀膜。石英光纤的主要成分是SiO2属于无机非材料，通常情况下金属材料与无机非材料的结合性较差，在较高温度下会由于热膨胀系数不同而产生较大的热应力导致涂层金属膜内产生裂纹甚至脱落，同时过大的热应力可能导致光纤断裂，使光纤失效。但有些金属，如钛(Ti)、铬(Cr)，在磁控溅射的过程中沉积到光纤基体表面时，会具有一定的能量(几电子伏)而具有活性，与界面上的SiO2发生界面还原反应，增加界面结合强度。更重要的影响是，当温度上升到一定温度(约700℃)以上时，金属Ti(或Cr)与SiO2的界面反应程度会大大增强，界面宽度也会随之增加，界面结合强度也会大大提高。这种界面反应特性使得Ti、Cr这类金属很适合用作粘合层来提升金属材料与光纤的结合力，粘合层厚度为100nm左右。由于金属Ti、Cr的导电性能相对较差，为了保证后续电镀保护层的顺利进行，需要在粘合层表面先形成一层导电层，所选的导电层材料既要满足具有导电性好的要求，还需要具有高熔点以便在高温下仍能保持良好的物理性能，确保所得到的光纤具有耐超高温的特性，故本实施例选取了兼具高熔点和导电性优良的金属Mo或Nb作为导电层。以上提到金属的相关性能参数如表1所示：表1简单地在粘合层金属外层直接涂覆另外一种金属作为导电层在超高温环境下，如1000℃以上时，不同的金属涂层之间可能会由于热膨胀系数不同在界面处产生过大的热应力而导致出现剥离或者龟裂现象，而使光纤失效。若将不同结构的金属材料复合，使其组分和结构呈连续梯度变化，不仅可以充分发挥两者的优点，还有效解决热应力不同造成金属剥离或龟裂的问题。本发明的梯度复合材料为具有多层梯度的复合材料，每层复合材料按照一定的材料配比形成，且呈梯度排列，逐渐由粘合层的材料过渡到导电层的材料。为此，本实施例按照摩尔数量百分比设计了如图2所示的粘合层金属材料与导电层金属材料的配比，其中，斜线的不同倾斜方向代表不同材料，如向左、向右倾斜分别代表粘合层金属材料A和导电层金属材料B,斜线的条数代表两种材料的相对摩尔数比。所述梯度复合材料为具有多层梯度的复合材料，每层复合材料按照一定的材料配比形成，且呈梯度排列，逐渐由粘合层的材料过渡到导电层的材料。本发明的该实施例中，通过磁控溅射共溅射方法制备出粘合层与导电层摩尔数比为9:1、7:3、5:5、3：7、1:9比例的梯度结构过渡层，且每个比例层厚度为100nm左右。这个比例可以适度调整。本发明的梯度结构过渡层(3)是通过对粘合层材料和导电层金属材料共溅射而得到的梯度复合材料，所述梯度结构过渡层(3)有别于其他简单的混合或复合，能有效避免结构特征尺寸突变引起的性能突变，可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调，可以降低镀层的内应力，防止薄膜内裂纹的萌生，进而提高薄膜材料的整体性能和质量，所述的梯度结构过渡层厚度为500nm左右。梯度结构过渡层的不同摩尔数比例可通过对材料预溅射来寻找出合适的沉降速率ν，达到所需的材料配比。具体方法如下：单位时间单位面积上沉积的原子摩尔数：N＝v■ρ/M其中，N为单位时间单位面积上沉积的原子摩尔数；ρ为溅射材料的密度；M为溅射材料的摩尔质量。则粘合层材料A与导电层材料B的摩尔数比为：由于选定材料A、B后，对应的ρ、M也随之确定，即ρAMB/ρBMA为一常数，故NA/NB的值仅与两种材料的沉积速率比vA/vB相关，所以可以通过寻找适合的沉积速率来得到相应膜层材料的摩尔数比。材料从粘合层到导电层的过渡中，其与光纤发生界面反应的能力逐渐降低，导电性能和耐热性逐渐升高，热应力在材料的两端均较小，在中部达到峰值，从而具有热应力缓和功能，使得光纤在超高温环境下仍能正常工作成为可能。(3)对磁控溅射镀膜后的光纤进行电镀增厚保护去除了有机涂覆层的石英光纤非常脆弱，虽然磁控溅射已在其表面形成金属膜，但是由于膜层太薄，达不到对光纤起保护的要求，所以接下来需要对光纤进行电镀增厚保护。金属镍(Ni)具有良好的可塑性和延展性能，并且耐腐蚀、耐高温性能优异，故本实施例采用电镀Ni作为保护层，当然，也可以选择其他类似于Ni性质的金属作为保护层。电镀保护层后，可赋予光纤良好的机械强度，起到很好的保护作用。电镀液的工艺参数如表2所示，本实施例保护层厚度为100-200um。表2主盐/六水合硫酸镍200g/L阳极活化剂/六水合二氯化镍30g/L缓冲剂/硼酸30g/L润湿剂/十二烷基硫酸钠0.5g/L光亮剂/2-丁炔-1，4-二醇1.0g/L温度30-60℃pH值3～4电流密度1～2A/dm2电镀时间3～5h本实施例通过上述步骤可得到一种具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤：石英光纤表面依次涂覆有粘合层、过渡层、导电层以及保护层。其中所述的粘合层为金属Ti(或Cr)；所述的过渡层是为Ti(或Cr)与Mo(或Nb)以渐变的摩尔数比形成的复合材料，所述的导电层为金属Mo(或Nb)；所述的保护层为金属Ni。所述的耐高温光纤的粘合层、过渡层以及导电层是通过磁控溅射方法在石英光纤表面形成，该法是在无水、高真空真空的环境下进行，并且没有化学镀繁琐的粗化、敏化等过程，操作更加简便，且对光纤基体基本无损伤，确保了涂层与光纤之间具有良好的结合强度；而后电镀Ni增厚获得保护层，赋予了光纤一定的机械性能和抗弯性能。本实施例的耐高温光纤涂覆层具有梯度结构涂覆层，这种特殊结构的涂覆层使其不仅具有良好物理机械性能，而且在超高温环境中，如1000℃以上，仍能正常稳定地工作，从而满足了在一些苛刻环境下对光纤性能的要求，拓宽了光纤的应用领域。实施例2：除了更换实施例1的步骤(2)中粘合层材料的选择外，其他选材、实验步骤以及方法与实施例1一致。粘合层材料的选择：石英光纤的基本成分是SiO2属于无机非材料，通常无机非材料与金属材料的物理性质存在较大的差异，在高温环境一般会由于热膨胀系数不同而产生较大的热应力导致金属涂层破裂，甚至脱落，同时过大的热应力还可能导致光纤断裂，使光纤失效。为此，本实施例选用同属于无机非材料的陶瓷材料作为粘合层，如碳化硅(SiC)、五氧化二铌(Nb2O5)等，这是由于陶瓷材料不仅具有与SiO2相近的物理性质，还具有优良的高温性能。选用陶瓷材料作为粘合层时，在超高温度环境中，如1000℃以上，粘合层薄膜不仅不会与光纤之间产生较大的热应力而对薄膜结构或者光纤本身造成损害，还能保持良好的机械性能，这保证了在高温下粘合层与石英光纤之间仍具有良好的结合强度。选定了陶瓷材料作为涂覆层后，可通过与实施例1相同的方法得到了一种具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤。本实施例中耐高温光纤的涂覆层将陶瓷材料与金属材料复合，使其组分和结构呈连续梯度变化，材料从陶瓷过渡到金属的过程中，其与光纤的结合力逐渐降低，导电性能逐渐提高，热应力在材料的两端均较小，在中部达到峰值，具有热应力缓和功能，从而可以充分发挥两者的优点，有效解决了热应力不均的问题。同样地，本实施例的具有梯度结构涂覆层的耐高温光纤，既有良好物理机械性能，而且在超高温环境中，如1000℃以上，仍能正常稳定地工作，从而满足了在一些苛刻环境下对光纤性能的要求，拓宽了光纤的应用领域。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。当前第1页1 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