专利名称：制造石英玻璃预制件的方法
技术领域：
本发明涉及制造石英玻璃预制件的方法，这种预制件可用于制备远距离通信或光学领域内的光学纤维、光波导、传象纤维、柱透镜或其类似物。
通常，人们已经知道用棒管法来制备远距离通信或光学领域内所用的光纤或光波导的石英玻璃预制件。
根据棒管法，人们将作为芯棒的玻璃棒插入到另一种作为包覆层的玻璃管中，然后将它们用加热装置加热使之熔成一个整体，由此形成石英玻璃预制件。然而这种方法存在一个问题，该问题是由于存留在制成的预制件中的气泡而形成的，这些气泡又是由于加热熔化过程中玻璃棒和管之间的界面的不完全破碎而产生的。
总的说来，用含有气泡的预制件将它加热，控制成光学纤维其质量较低，其可靠性也不会高，尤其是，由此制成的光学纤维其力学强度也较低。
作为棒管法的替代方法，人们又提出了另一种方法，它采用等静压技术在玻璃芯棒的外周上形成包覆的多孔玻璃体，然后将制成的多孔玻璃预制件脱水并固结成一种石英玻璃预制件(参见公开的未审查日本专利申请JP61-256937)。
实际操作时，上述方法以下列方式进行，首先，将作为芯棒的玻璃棒插入一种可变形的模子中，余下的空间用作为成型材料的石英玻璃粉末来填塞。然后用流体静压从外面压填好料的模子从而在玻璃棒的外周上形成多孔玻璃体。
此后，将由此制得的多孔玻璃体从模中取出并对它进行一系列操作其中包括脱水和固结使之形成光学纤维预制件。
在上述方法中，需在模子外表面上向其中心轴方向施加大约0.1至0.7吨/厘米2的压力，加压时间为大约5到40分钟。有时位于模具中间的玻璃棒会因所施加的压力而断裂。玻璃棒的外径越小，则玻璃棒越易断裂。另外，当该玻璃棒断裂时，模压成的多孔玻璃体也会因玻璃棒断裂所产生的冲击力而破裂。
结果，当采用等静压法制备多孔玻璃体(围绕玻璃棒)时，产品产量总是较低。
本发明正是考虑到上述问题而提出的，因此本发明的发明目的在于提高一种可高产量制备石英玻璃预制件的方法，实际上本发明是通过在用等静压法围绕玻璃棒形成多孔玻璃体时防止玻璃棒和多孔玻璃体受到损坏而实现其目的的。
根据本发明，它提供了一种制备石英玻璃预制件的方法，它包括下列步骤将主要含有一种可延性材料的棒状部件插入到模具的成型空间中，用含有石英玻璃粉末或掺杂的石英玻璃粉末的成型材料填充模中的剩余空间;从外面压已填充成型材料的模子使该成型材料围绕该棒状部件形成一种多孔玻璃体;从多孔玻璃体中取出该棒状部件从而在除去该棒状部件后形成一个孔;将一根据玻璃棒插入该孔中;纯化所说的已插入玻璃棒的多孔玻璃体，以及将所说的在上述纯化步骤中纯化的多孔玻璃体固结。
本发明的其它一些目的及优点将在后面的描述中给出，其中有一部分可以从这些描述中明显看出，或者通过实施本发明而认识到。借助于在所附的权利要求书中所特别指出的教导及组合，可以认识并获得本发明的目的及优点。
引入并成为本说明书的一部分的附图描述了本发明的一些优选实施方案，它们与前面的概述部分以及后面的优选实施方案的详细描述一起来描述本发明的一些基本原则。
图1是用来实施本发明的方法的成型装置的主剖面图的横截面图;
图2表示本发明方法中的一个步骤，其中围绕棒状部件形成了一种多孔玻璃体;
图3A表示本方法中的一个步骤，其中该棒状部件被从该多孔玻璃体中取出;
图3B表示本方法中的一个步骤，其中将一根玻璃棒插入到取走棒状部件后形成的孔中;
图3C表示将该多孔玻璃体固结后的石英玻璃预制件;
图4是用来实施本发明方法的另一种成型装置的主要部分的横截面图;
图5A和5B表示另一种实施方案的多孔玻璃体的侧视图;
图6是用于形成形状如图5B所示的多孔玻璃体的成型装置的横截面图;
图7是多孔玻璃体的侧视图，用于解释另一种制备形状如图5B所示的多孔玻璃体的方法。
下面将参照附图详细描述本发明的具体实施方案。
图1是用于实施本发明的一个实施方案的成型装置的主剖面图的横截面图。所用的成型装置配有一个成型模11，一个支撑筒18围绕着该成型模11，和一对盖子12和13用于盖住该模子的两端开口。这些部件组合成装配体10。
在装配体10中，成型模11和盖子12和13组成了一个实际上的模子，而由这些部件围成的部分即形成了一个成型空间20。同时，在支撑筒18和成型模11之间围成的部分则形成了加压空间21。
每个盖子12或13有一个阶梯状部分，每一部分与每个成型模11和支撑筒18相配合。此外，在盖子12和13上，在其端部阶梯部分的中间部位分别有凹槽14和15。棒状部件31(后面解释)的两端分别配合到凹槽14和15中，而且通过夹具17将它们分别固定在盖子12和13上。有时，盖子13上有若干个抽气孔16，这些抽气孔从外表面穿过该盖子而至内表面(根据需要)，必要时还可以将真空泵(未示出)与每个抽气孔相连。进一步地，有时还可以给每个抽气孔16配备一个过滤器。
支撑筒18上有许多进/出口开口19，加压介质通过这些开口而供入或离开加压空间21。
在成型前，将该装配体10放入加压装置(未示出)中，当加压介质22由加压供体(未示出)输入该加压装置中时，该加压介质22通过进/出口开口19而从支撑筒18的外面进入加压空间21。用作加压介质22的一些例子为水和润滑油。
成型模11由弹性材料制成，例如天然橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶或丁腈橡胶，盖子12和13以及支撑筒18由金属如铝制成，支撑夹具17由弹性材料如橡胶制成。优选地对盖子12和13的内表面(与成型材料实际接触的)加以涂层，例如涂氟树脂(商品名称为特氟隆，teflon)，从而防止成型体，即多孔玻璃体受到污染。
棒状部件31主要用可延性材料，例如金属制成，它可以通过在金属表面涂覆玻璃或合成树脂而制成。实际上，棒状部件31可以采用任何一种材料，只要该材料具有高延展性使之在等静压过程中不至于因压力而断裂且具有高强度使之不易变形。如前所述，优选地用玻璃、合成树脂，特别是氟树脂涂覆该棒状部件31，以防止该多孔玻璃体受到污染。
利用位于成型空间20中的棒状部件31，将成型材料32装入空间20中。然后通过该加压空间21中的加压介质22向成型模11施加压力。由此围范该棒状部件31形成如图2所示的多孔玻璃体33。
形成多孔玻璃体33的成型材料含有石英玻璃粉末，或掺杂的石英玻璃粉末，后一种粉末例如可以是含有掺杂剂和石英玻璃的细颗粒粉末。在本发明中，一些掺杂剂的例子为GeO2、P2O5、B2O3或F。
成型材料32可以仅由石英玻璃粉末组成，也可以由含有溶剂或成型添加剂的石英玻璃粉组成。溶剂的例子可以是纯水，一些成型添加剂的例子可以是有机化合物，例如聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛、聚氧乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素及甘油。这些成型添加剂的添加量(相对玻璃粉)为1至20%(重量比)优选地为15%或更少。
石英玻璃粉的颗粒直径通常在0.01μm至100μmm之间。优选地，平均直径应在0.4μm至25μm之间。这是因为当颗粒直径小于0.4μm时在后面的纯化步骤中将很难除去其中的杂质，因为由直径为0.4μm或低于0.4μm的颗粒形成的成型材料其孔径较小，这将使纯化步骤中所用的气体如Cl2，或在该步骤中要除去的物质如HCl、FeCl3、CuCl2、NaCl及其类似物很难从这些孔中通过。此外，颗粒的平均直径为25μm或更大，粒子之间的粘结力将变得太小，以至于使成型体有可能因低固结性而破裂。
同时，当石英玻璃粉不能均匀地填满成型空间20时(当粉末太细时会发生)，所形成的多孔玻璃体有可能会破碎、断裂、尺寸发生变化，以及因装填密度不均匀会使该多孔玻璃体的密度分布太广。另外，即使在多孔玻璃体熔凝之后气泡仍会留在玻璃中。为了防止发生这种现象，应该用溶剂如纯水或溶剂与成型添加剂将极细的颗粒粒化，使颗粒直径达到30μm或更大。利用经过粒化的颗粒粉末可以均匀高密度地填充成型空间，从而解决了上述问题。
实际采用上述方法来解决该问题时，最好使粒径为30μm或更大与粒径为300μm或更小的粒化粉末的含量低于总量的50%，而粒径为10μm或更小的粉末的含量低于总量的10%但不低于总量的1%。采用具有上述粒径分布的石英玻璃粉或掺杂的石英玻璃粉，可以进一步降低填装粉末的密度的不均匀性。此外当将具有如此分布的粉末加压时，细的颗粒将位于大的粒化粉末颗粒之间，使大颗粒彼此结合。由此使形成的多孔玻璃体尽可能少地发生破碎。
优选地，该石英玻璃粉是通过气相法，如四氯化硅的火焰水解，和硅或四氯化硅的高温氧化而制成的，也可以是通过将用上述方法制得的粉末进行处理以增加颗粒的直径而获得的。进一步说来，那些通过将上述石英颗粒粒化而获得的粉末是优选的。这些石英玻璃粉具有高纯度，且主要由呈球形的粒子组成;因此，用这些粉末可以形成在后面的纯化步骤中易于纯化的成型体。另一个石英玻璃粉的例子是由水玻璃或其粒化粉末而获得的。用由水玻璃获得的石英玻璃粉填充成型空间20可以获得较高的充填性，从而使制成的多孔玻璃体33很少发生破碎。同时，由水玻璃获得的石英玻璃粉在颗粒表面上含有许多硅烷醇根(OH根)，因此它们无需使用粘结剂即可轻易成粒。此外，粒化颗粒的易碎性能也能得以控制，由此就可以很容易地制得大尺寸的成型体。可以单独使用由水玻璃制成的石英玻璃粉，也可以将它们与用其它方法(如化学汽相沉积法，CVD)制得的石英粉结合使用。
在本发明中，多孔玻璃体33应制成的管状形状，其两端最好呈尖削型(呈圆锥状)，或制成曲率半径等于或大于多孔玻璃体外直径的三维弯曲表面)，采用上述结构可以获得下列好处1.由于端部呈圆锥形状或三维曲面，在多孔玻璃体加压成形之后当将多孔玻璃体从模中取出时有可能发生的对多孔玻璃体端部的损坏就可以避免，还可以有效地降低多孔玻璃体破碎的可能性。
2.由于光纤预制件是由端部呈圆锥形或三维曲面的多孔玻璃体制成的，该多孔玻璃体的固结将从插入高温烧结炉的一端开始。这样就可以防止在光纤预制件的中间部分产生气泡，从而获得均匀、清晰透明的玻璃。
3.在固结后将预制件拉制成光学纤维时可以直接将一根支撑棒或类似物熔合到该预制件上，拉制该光纤，从而节省操作时间并增加产品产量。
上述成型过程可以为了某种效果而仅在一端上进行。
利用图6中所示的加压设备可以将多孔玻璃体制成上述形状，在该图中，可以将其中的具有与所需形状对应的内部形状的成型模41a用在如图4所示的装置中，也可以通过将成型后的多孔体的一端33a切削成所需的如图7所示的形状而获得上述形状。
为了易于将成型材料32填充到成型空间20中且使成型材料32易于成形，优选地在将成型材料32填装到成型空间20中之前先将这些材料润湿。将成型材料32润湿可以增加所形成的多孔玻璃体33的松散密度，同时抑制多孔玻璃体33对空气的吸收。因此可以防止在石英玻璃预制件中产生气泡。同时将用作成型材料32的粒化粉末润湿可以使粉末在成形过程中易于破碎，从而获得具有均匀密度的多孔石英玻璃预制件。在此情况下，成型材料中的水分可以等于或高于1%(重量比)，但低于5%(重量比)。
另一种用来高填空性地将成型材料32填充到成型空间20中的技术是除去成型材料32中的静电，除去静电可以在将成型材料32填充到成型空间20中之前进行，也可以在用这些材料填充成型空间20的同时进行。同时，对于组成模子的成型模11和盖子12和13也应该进行静电除去处理。不仅限于成型材料32及模具，材料填充操作的周围环境也需进行静电除去处理。
可以采用市场上可买到的静电去除器来除去静电。静电去除器利用高压使气体离子化，并将离子化的气体分布在物体的周围，或将离子化的气体喷射到物体上，从而除去该物体上的静电。
通过静电去除处理，可以防止成型颗粒自身之间的和该材料与模具之间的因静电而造成的不必要的吸引或排斥，由此可以使该成型材料32的填充密度均匀。
利用上述成型材料32，可以围绕棒状部件31而形成多孔玻璃体33。此后将该棒状部件31从多孔玻璃体33中抽出，由此而形成孔33a，如图3A中所见。可以在将多孔玻璃体33保持在模子中的同时，也可以在从模中取出玻璃体33之后将棒状部件取出。
然后向在多孔玻璃体33中形成的孔33a中插入一根玻璃棒34，如图3B所示。
玻璃棒34可以用CVD法例如MCVD、VAD、OVD并将石英多孔玻璃部件纯化并熔凝而制得，该玻璃部件可以用挤压成型法、MSP法(机械成型法)、压制成型法、料浆浇注法、溶胶-凝胶法、料浆涂层法、粉末法、或类似方法而制得。该玻璃棒34可以仅由芯玻璃制成，也可以由周围带有一部分包覆玻璃的芯玻璃制成。
在将玻璃棒34插入孔中后，用已知方法将该多孔玻璃体33纯化，然后再熔凝。纯化过程通常是在含有Cl2的气氛中进行;但当成型材料中加入了某些有机化合物如成型添加剂时，也可以采用别的纯化过程，即除油，此时该有机化合物因受热而分解，必要时也可以通过氧化而使其分解。在含有Cl2的气氛中进行纯化时，该纯化过程可以在例如1250℃下、在Cl2和He气氛下进行，在该步骤中，可以将金属杂质如Na、Ca、Fe、Cu、及其类似物除去并实现脱水(除去OH根)。熔凝过程例如可以在He气氛中，在1600℃下进行，在该步骤中，多孔玻璃体33被转化成透明的玻璃体35，由此获得由玻璃棒34和透明玻璃体35组成的石英玻璃预制件36。应当指出，有些时候可以将纯化过程及熔凝过程放在一个步骤中进行。此外，在这个方案中，纯化过程和熔凝过程是在将玻璃棒插入因将棒状部件31从多孔玻璃体33中抽出后而形成的孔中之后而进行的，但该工艺的顺序并不限于上面一种。举例来说，可以在纯化多孔玻璃体33之后再用玻璃棒34取代棒状部件31，如果在将棒状部件31从玻璃体33中取出后进行纯化然后再将玻璃棒插入孔中效果也一样。
根据上述方法，在用等静压法围绕玻璃棒形成多孔玻璃体的过程中，玻璃棒和多孔玻璃体均不会受到损坏，这样就可以高产制备石英玻璃预制件。此外，由于多孔玻璃体是在粘接到玻璃棒的同时被熔凝成透明玻璃的，故在由此形成的透明玻璃体与玻璃棒之间的界面上几乎不会产生气泡。
现在对另一种成型装置的例子进行描述。图4是可用于本发明方法中的另一种成型装置的主要部分的横截面图。这种成型装置包括成型模41，围绕成型模41的支撑筒48，以及在这些部件两端的一对成型冲头42和43。这些部件组合成配合体40。
成型冲头42和43上分别配有凹槽44和45，这两个凹槽位于每个冲头的内表面的中间部位。棒状部件61的两端与凹槽44及45相配合，并通过夹具47而固定到成型冲头42和43上。根据需要，成型冲头43上有时可具有抽气孔46穿过其内表面直到外表面。在开孔的情况下，还可以在抽气孔46中配备一个过滤器(未示出)。
成型模41和成型冲头42及43组成了模子，而由这些部件围成的部分即是成型空间50，此外，由支撑筒48及成型模41确定的部分即成为加压空间51。
盖子54和55呈二级阶梯形环状形状，它们分别围绕成型冲头42和43而置，在对应于由成型模成型41的外周表面与盖子54和55确定的加压空间51的部分配有一个压力传送模53。
支撑筒48上配有多个进/出口开口49，用于将加压介质52送入加压空间51并从中排出加压介质。
实际操作时，配合体40被放在一加压装置(未示出)中，当加压介质52被送入加压装置时，该加压介质52通过进/出口开口49而从支撑筒48的外面进入加压空间51。
成型模41可以采用与前面所述的模11相类似的弹性材料制成，支撑夹具47由弹性材料如橡胶制成，就象前面对支撑夹具17所述的一样。其它部件由金属如铝制成。此外，与成型材料实际接触的成型冲头42和43上最好涂覆例如氟树脂，就象盖子12和13的内表面那样，从而防止对形成体，即形成的多孔玻璃产生污染。
同时，按照与棒状部件31相类似的方式制备棒状部件61。利用位于成型空间50中的棒状部件61，将成型材料62填入空间50中。然后，通过加压空间51中所含有的加压介质52向成型模41施加压力。由此围绕棒状部件61而形成多孔玻璃体，如图4所示。
下面的步骤均以与前面所述的方式相似的方式进行。
在图1至7中，棒状部件(例如图1中的31)的两端均向多孔玻璃体(如图2中的33)的外面凸出，但这种结构并非是本发明必需的，虽然其中的一端最好应向外凸出，但它们不必总是向外凸出，当其中有一端向外凸出时，就可以很容易地在多孔部件的中心开一个孔。
下面将描述本发明的实施例。
例1在该实例中，成型材料32仅采用市场上可买到的石英粉，其平均颗粒直径为20μm，采用图1所示的成型装置来制备多孔玻璃体。
成型模11用硅橡胶制成，其外径为60mm，内径为50mm，长为270mm。由成型模11和盖子12和13确定的成型空间20其有效长度(高度)为250mm，盖子12和13的内表面上涂以特氟隆(商品名)。
棒状部件31由钢制成，外表面涂以特氟隆其外径为10.6mm，长为270mm。
当供入成型材料32时，从该配合体上取下盖子12，将棒状部件31插入成型空间20中，使其下端装入凹槽15中。然后将420克经过真空处理的成型材料32供入成型空间20中，加上盖子12将该空间密闭。
根据需要，可以将真空泵(未示出)连接到抽气孔16上，用来对成型空间20抽真空，同时，从与进/出口开口19相连的加压介质供给系统(未示出)将作为加压介质22的润滑油注入到加压空间21中。由此将成型模11在1000kgf/cm2压力下加压约1分钟。
结果，在成型空间20中，围绕棒状部件31形成了松散密度均匀的多孔玻璃体33，产物中看不到破碎情况。由成型材料32制成的多孔玻璃体33其外径约为42mm，长为250mm。
毫无疑问，在棒状部件31上也没有损伤。
然后，从加压空间21中逐渐向外排出加压介质22，时间大约为30分钟，以使成型模11得以恢复。在成型模11复原后，取下盖子12，将多孔玻璃体33和棒状部件31一起从成型空间20中取出。
然后，如图3A所示，将棒状部件31从多孔玻璃体中取出，并如图3B所示将一根石英玻璃棒34插入由此形成的孔33a中。该玻璃棒34的直径为10.6mm，长为270mm。另外，对于该玻璃棒，芯玻璃的外径与包覆玻璃的外径比为1∶4，芯玻璃与皮玻璃的相对折射率差△为0.35%。
然后，将插入的多孔玻璃体33及玻璃棒34在1250℃下，Cl2和He气氛中纯化(除去杂质并脱水)，然后再在1600℃下，He气氛中熔凝。结果，多孔玻璃体33被熔结为透明的玻璃体35，由此形成如图3c所示的由玻璃棒34和透明玻璃体35组成的光学纤维预制件36。
由此得到的光纤预制件36其外径为35mm，在玻璃棒34与透明玻璃体35的界面上看不到气泡。
对该光纤预制件36进行光纤拉制，从而制成一种单模光纤，其芯径为约10μm，外径为125μm，拉制后，随即用紫外固化树脂涂层涂覆所产生的光纤，从而其涂层外径为400μm。
经证实，由此得到的涂层光纤具有与主要通过CVD法制成的单模光纤相同的性能。
出于比较目的，用与上述工艺相同的工艺制得另一个多孔玻璃体，其中采用外径为8mm，芯玻璃与皮玻璃的外径比为1∶3且其截止波长设计值为1.30μm的石英玻璃棒代替棒状部件。
对于上述例子及对比例，测定每一种棒状部件的断裂性，每一种多孔玻璃体的破碎发生率，结果如下例子棒状部件的断裂性＝%多孔玻璃体的破碎发生率＝10%
对比例棒状部件的断裂性＝80%多孔玻璃体的破碎发生率＝60%从上述结果可以清楚地看出，在例子中，棒状部件从不断裂，其多孔玻璃体很少发生破碎，而在对比例中，棒状部件经常发生断裂，故其多孔玻璃体也经常发生破碎。
例2在该实例中，成型材料32通过将可从市场上买到的粒径为0.7μm的石英粉粒化而制得，粒化过程采用下列工艺进行。首先向石英玻璃粉中加入纯水，形成料浆。然后将该料浆用喷雾干燥器粒化。粒化过程中未加入粘结剂，粒化前也没有向料浆中加入分散剂，所制成的粒化成型材料粉末其平均粒径为50μm，平均粒径为30μm或更高的粉末占全部粉末的50%以上。此外，粒径在1μm或更小的细粉末约占全部粉末的5%。
利用这种成型材料32和与例1相同的棒状部件，以与例1相似的工艺在棒状部件的周围形成多孔玻璃体33，由此获得的多孔玻璃体33和例1中的一样其外径为42mm，长度为250mm。
显然，棒状部件31中未产生损伤。
此后，将与例1中相同的玻璃棒34插入多孔玻璃体33，然后将该多孔玻璃体33在1250℃下，在Cl2和He气氛中进行纯化(除去杂质并脱水)，将经过纯化的多孔玻璃体33在1600℃下，在He气氛中进一步熔凝，使之熔凝成透明的玻璃体35，由此而获得如图3c所示的由玻璃棒34及透明玻璃体35组成的光纤预制件36。在玻璃棒34和透明玻璃体34之间的接触表面处未发现有气泡。
采用与例1相同的工艺将该光纤预制件36制成涂层光纤，其形状与例1的相同。
由此获得的涂层光纤的截止波长与设计值一样为1.30μm。
为了进行对此，仅采用平均粒径约为8μm的细颗粒石英玻璃粉作为成型材料32而制成产品(对比例1)，另外，又仅采用平均粒径为50μm的石英玻璃粉作为成型材料32而制成另一种产品(对比例2)，对这两种产品进行检测。
对于上述实例以及对比例1及对比例2，测定其石英玻璃粉在成型空间中的填充密度以及填充密度的差值，其结果如下例2填充密度 0.88g/cm3填充密度差 ±0.02对比例1填充密度 1.12g/cm3填充密度差 ±0.08对比例2填充密度 0.81g/cm3填充密度差 ±0.05由上述结果可以清楚地看出，虽然实例2的填充密度低于对比例1，但其填充密度差比对比例1和对比例2的要低好多。应当指出的是，实例2的填充密度已足够好，其产品可以用于实际条件中。
例3在该实例中，成型材料62采用与例子相似的可从市场上买到的石英粉，其平均粒径为0.7μm，所用的成型装置如图4所示。首先向石英玻璃粉中加入纯水使之成为料浆状材料，然后用喷雾干燥器将其粒化，从而获得成型材料62，粒化过程中未加入粘结剂，粒化前也未向料浆中加入分散剂，由此制成的成型材料62中，粒径为1μm或更小的细颗粒粉末占9.5%以下，其它则是平均粒径约为50μm的粉末，事实上，50%以上的粉末其平均粒径为30μm或30μm以上。
成型模41由硅橡胶制成，外径为60mm，内径为50mm，长为600mm。由成型模41和成型冲头42和43确定的成型空间50其有效长度(高)为480mm。所用的成型冲头42和43的内表面上涂以特氟隆(商品名)。
当供入成型材料62时，从配合体上取下冲头42，将棒状部件61插入成型空间50中，使其下端装入凹槽45中。然后将约810克经过真空处理的成型材料62供入成型空间50中，用成型冲头将空间密闭。
此后，根据需要，可以通过与抽气孔46相连的真空泵(未示出)，将成型空间50抽真空，同时，从与进/出口开口49相连的加压介质供给系统(未示出)将作为加压介质52的润滑油注入加压空间51中。从而在500kgf/cm2压力下将成型模加压约1小时。
结果，在成型空间50中围绕棒状部件61形成了松散密度均匀的多孔玻璃体，产物中没有看见有破碎。由成型材料62制成的多孔玻璃体33其外径为40mm，长为480mm。
然后，从加压空间51中逐渐向外排出加压介质52，时间大约为1小时，以使成型模41得以恢复，在成型模41复原后，取下成型冲头42，将多孔玻璃体与棒状部件61一起从成型空间50中取出。
然后，从多孔玻璃体中抽出棒状部件61，并将玻璃棒插入到多孔玻璃体上所形成的孔中，该玻璃棒的直径为10.6mm，长为500mm。此外对于该玻璃棒，其芯玻璃的外径与玻璃的外径比为1∶4，而芯玻璃与皮玻璃的相对折射率差△为0.35%。
将多孔玻璃体与插入其中的玻璃棒一起在1270℃下，在Cl2和He气氛中纯化(除去杂质并脱水)，随后在1630℃下，在He气氛中熔凝化。由此，将多孔玻璃体熔凝成透明玻璃体，从而制得由玻璃棒与透明玻璃体组成的光纤预制件。在该预制件的透明玻璃体中没有发现气泡。
然后采用与例1相同的方法将光纤预制件制成结构与例1相似的涂层光纤。该涂层光纤的截止波长与设计值一样为1.28μm，而且在纵向截止波长差性能上，它与主要通过CVD法制成的光纤具有相同的特点。
应该指出的是其填充密度及填充密度差与例2的一样好。
例4在该实例中，采用如图4所示的成型装置成型材料通过将来自水玻璃的石英玻璃粉粒化而制得，原始石英玻璃粉(粒化前)的平均粒径大约为0.5μm，粒化后的粉末的平均粒径为100μm。
成型工艺基本上与例3相同，不同之处在于本实例采用上述粉末作为成型材料，成型模41由丁腈橡胶(NBR)制成，还有成型压力为1000kgf/cm2。
由此制成的多孔玻璃体中没有破碎，当成型模41中的恢复力产生太快时有可能会造成破碎。
接下去，象例3那样将多孔玻璃体纯化并熔凝成透明的玻璃体。
将用来自水玻璃的石英玻璃粉制得的透明玻璃体与用其它石英玻璃粉的湿石英(粒化的湿石英，或天然石英)制得的其它透明玻璃体进行比较，比较彼此在模中的粉末填充密度，多孔玻璃体的产量以及透明玻璃体的产量，其结果示于下表1中。
表1<
从表1中可清楚看出，由水玻璃制成的石英玻璃粉其填充密度较高，每一个阶段，即形成多孔玻璃体及透明玻璃体的产物产量也较高，由此可以证明采用由水玻璃获得的石英玻璃粉来制备石英玻璃预制件时可以获得特别好的性能。
例5在该实例中，采用如图4所示的成型装置和由水玻璃制得的石英玻璃粉，这些石英玻璃粉由平均粒径为0.7μm的颗粒组成，并通过向其中加入作为溶剂的纯水而将它们制成料浆，料浆的比重为60%，利用喷雾干燥器将石英玻璃粉粒化，所形成的颗粒的平均直径为50μm。
然后，象例4那样将这些石英玻璃粉围绕棒状部件61而形成多孔玻璃体。从多孔玻璃体中抽出棒状部件，并将一根用CVD法制成的玻璃棒插入到由此形成的孔中。对于该玻璃棒，其芯玻璃与皮玻璃的外径比为1∶4。
此后，象例3那样将多孔玻璃体纯化并熔凝成透明的玻璃体，由此获得由玻璃棒和透明玻璃体组成的光纤预制件，用常规拉制技术将该光纤预制件拉制成的光纤，由此形成的光纤与用CVD法或其类似方法制得的光纤具有相同的性能。
例6在该实例中，成型装置如图4所示，而成型材料62则采用粒化的石英粉，它是通过将平均粒径约为0.7μm的石英粉粒化而成的。粒化粉末的平均粒径为50μm，粒化粉中的水分约为0.5%。
将粒化粉末在一个温度及湿度恒定的容器中润湿，润湿过程是在温度固定在40℃，湿度为70%的条件下进行的。在上述条件下，粒化石英粉的湿度被提高到3%，湿度用红外湿度仪测定，应当指出如果将湿度提高到5%或更高，将会有一部分粒化粉末重新转变成原始颗粒，从而会减低粉末的填充性能。
所用的成型模41其内径为50mm，由丁腈橡胶制成，由成型模41及成型冲头42和43确定的成型空间的有效长度(高度)大约是250mm。
利用上述设施，按照基本上与例3相同的方式围绕棒状部件61而形成多孔玻璃体，其不同之处在于本实例是将420克由润湿的粒化粉末制成的成型材料62填入成型空间50中，而且成型压力调整为1000kgf/cm2。
此后，将施加的压力在20分钟时间内逐渐降低以防止破碎，当压力下降时如果成型模41中的恢复力产生得太快则有可能会导致破碎。
后面的步骤可以按照前面所述的方式进行，在由此制得的多孔玻璃体中没有发现破碎。
然后，将棒状部件从多孔玻璃体中抽出，并向所形成的孔中插入玻璃棒，所用的玻璃棒其芯玻璃与皮玻璃的外径比为1∶4，其直径为10.6mm，长为270mm。
象例3那样，将该多孔玻璃体纯化并熔凝，使之转变成透明的玻璃体。由此制成了由玻璃棒和透明玻璃体组成的光纤预制件，在该预制件中没有气泡，将该光纤预制件拉制成光纤，由此获得的光纤与用CVD法或类似方法制得的光纤具有相同的性能。
为了进行对比，采用未经润湿处理的粒化石英粉按同样的工艺制得一个对比形成体。比较实例和对比例的形成体的密度和孔率，结果示于下表2中。
表2
由表2可以看出，将形成材料润湿可以提高其密度并降低其孔率，由于形成材料的孔率得到降低(如表2所示)，该材料中所含的空气量也将随之下降，而且在透明的玻璃体中没有气泡产生。
按照与例1相同的方式将成型模11加压，在30分钟时间内将压力逐渐降低以使成型模11不至于过分快速地恢复到其正常位置，在成型模11恢复后，取走盖子12并将棒状部件31与多孔玻璃体一起从成型空间20中取出。
由此获得没有气泡的多孔玻璃体。
此后，将棒状部件从多孔玻璃体中抽出，并将一根玻璃棒插入所形成的孔中，所用的玻璃棒是用VAD(轴向汽相沉积法，CVD法中的一种)法制成的，其芯玻璃与皮玻璃的外径比为1∶3，其外径为7.8mm，长为260mm。
按照与例1相同的方式，将由此形成的多孔玻璃体纯化并熔凝成透明的玻璃体，由此制成由玻璃棒和透明玻璃体组成的光纤预制件，该预制件的外径约为35mm，长为235mm。
用已知方法将该光纤预制件拉制成光纤，经测定，该光纤的截止波长与设计值一样为1.30μm，在纵向截止波长差性能方面，这里所获得的光纤与用CVD法，如VAD法制得的光纤具有同样的性能。
同时，对经过静电去除处理的成型材料与未经静电去除处理的成型材料进行比较，比较其材料的填充密度，填充密度差以及透明玻璃体中的气泡数量，其结果如下表3所示。
表3
由表3可以清楚地看出，除去静电可以提高成型材料的填充密度并缩小填充密度的变化范围，从而减少余留在透明玻璃体及其产物中的气泡数量。
例7在该实例中，采用如图4所示的结构的成型装置，其不同之处在于该装置包括成型模41a，其上下两端呈三维弯曲表面，如图6中所示。首先将1700克粒化石英玻璃粉填入成型空间50中。所用的石英玻璃粉是通过将平均粒径为8μm的石英颗粒(商品名Exelica SE-8，Tokuyama Soda Co.)分散在水中并用喷雾干燥技术将它们粒化成平均粒径为150μm的颗粒而制成的。在将颗粒填入成型空间50之前，先将一根不锈钢棒61放在其中间部位，钢棒61的外径为14mm，表面涂的特氟隆，通过作为加压介质52的水向成型模施加1500kgf/cm2的压力，从而围绕棒状部件61而填入石英粉62，加压时间为1至5分钟。
结果，围绕棒状部件61形成了多孔玻璃体，然后，从该玻璃体中抽出棒状部件，并向由此形成的孔中插入一根光纤玻璃芯棒，其芯玻璃与皮玻璃的外径比为1∶3，外径为14mm，由此获得形状与图5B相同的用作光纤预制件的多孔玻璃体。此后，将所产生的多孔玻璃体按例1中所述的那样进行纯化并熔凝，由此得到外径为70mm的透明的光纤预制件。然后，将该光纤预制件拉制成具有芯及包皮的光学纤维，其性能与用VAD法(CVD法中的一种)制得的光纤相同。
例8在本实例中，采用下文所述的成型材料来代替例7中所用的材料，以此制成光纤基质材料。其结果描述如下。
(1)将平均粒径为0.3μm的石英细颗粒(商品名Exelica SE-1，Tokuyama Soda Co.)分散在水中，从而形成平均粒径为150μm的粒化石英粉，将所制成的粉末制成透明的石英玻璃，经证实该透明石英玻璃中含有5ppm Fe，它不适合用来制造光纤。
(2)将平均粒径为0.6μm的石英细粒(商品名Admafine SO-25R，Admatex Co.)分散在水中，从而形成平均粒径为150μm的粒化石英粉。将得到的粉末制成高纯度的石英玻璃，经证实该石英玻璃中含有50ppb Fe，它适合用来制造光纤。
(3)将平均粒径为29μm的石英细粒(商品名Elsil，Mitsubishi Metal Co.)与3%PVA一起分散在水中，由此制得平均粒径为150μm的粒化石英粉。所产生的成型多孔玻璃体其机械强度较弱，它不适合用来制造光纤预制件。
在上述实施例中，我们以石英玻璃预制件为例主要讨论了光纤预制件的形成过程。但无须明言，也可以采用与上述实例相似的工艺来制备传象纤维，光波导或柱透镜所用的预制件。
对于熟悉本领域的人员来说本发明还可以有其它一些优点及改进，因此，本发明在广义上并非局限于其在本文中所述的具体细节以及所述的实施例。因此，在不脱离由所附权利要求书及其等同物所限定的本发明的总的发明思想的精神或范围的情况下也可以作出各种改进。
权利要求
1.石英玻璃预制件的方法，其特征在于它包括下列步骤将主要含有可延性材料的棒状部件(31，61)插入到模子(11，12，13，41，42，43)的成型空间(20，50)中；向余下的成型空间(20，50)中填入含有石英玻璃粉或掺杂的石英玻璃粉的成型材料(32，62)；从外部向填满成型材料(32，62)的模子(11，12，13，41，42，43)加压，从而使该成型材料(32，62)围绕棒状部件(31，61)形成多孔玻璃体(33)；从多孔玻璃体(33)中取走棒状部件(31，61)，从而在取走棒状部件后形成一个孔(33a)；将一根玻璃棒(34)插入孔(33a)中；将插入了玻璃棒(34)的多孔玻璃体(33)纯化；且将在上述纯化步骤中经过纯化的多孔玻璃体熔凝。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的取走步骤是在所述纯化步骤之后进行的。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的纯化步骤是在所述的取走步骤和所述的插入步骤之间进行的。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的棒状部件(31，61)主要由金属制成。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于所述的棒状部件(31，61)由表面涂覆玻璃或合成树脂的金属制成。
6.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的成型材料(32，62)是石英粉，其平均直径在0.4-25μm之间。
7.权利要求6所述的方法，其特征在于所述的成型材料(32，62)中含有50%或更高的粒径在30μm-300μm之间的粒化粉末，所述粒化粉末由所述的石英粉制成。
8.权利要求7所述的方法，其特征在于所述的成型材料(32，62)中含有50%或更高的粒径在30μm或更大到300μm或更小的粒化粉末，以及1%或更高的与10%以下的粒径在10μm或更小的粉末颗粒。
9.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的石英玻璃粉中含有来自水玻璃的粉末。
10.权利要求1所述的方法，其特征在于它还进一步包括从所述的成型材料(32，62)中除去静电的步骤。
11.权利要求10所述的方法，其特征在于它还进一步包括从所述的模具中除去静电的步骤。
12.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的成型材料(32，62)在被填入成型空间之前已被润湿。
13.权利要求12所述的方法，其特征在于所述的成型材料(32，62)的湿度等于或高于1wt%且低于5wt%。
14.权利要求1所述的方法，其特征在于多孔玻璃体(33)至少有一端被切削成圆锥形状，或者形成曲率半径等于或大于多孔玻璃体(33)外径的三维曲面。
15.权利要求1所述的方法，其特征在于其中所用的石英玻璃粉是通过化学汽相沉积法，如火焰水解反应，氧化反应，热解反应工艺制得的，也可以通过将由此制成的石英粉进行处理而制得。
16.权利要求1所述的方法，其特征在于其中所用的石英玻璃粉是通过将金属硅酸盐氧化而制得的，也可以通过将由此制得的石英粉进行处理而制得。
17.权利要求1所述的方法，其特征在于所述的棒状部件(31、61)，它至少有一端向所述的多孔玻璃体(33)的外面凸出。
全文摘要
制备石英玻璃基质预制件的方法，它包括下列步骤将主要含有可延性材料的棒状部件插入到模子的成型空间中；向余下的成型空间中填入含有石英玻璃粉，或掺杂的石英玻璃粉的成型材料；从外部向填满成型材料的模子加压，从而使该成型材料围绕棒状部件形成多孔玻璃体；从多孔玻璃体中取走棒状部件，从而在取走棒状部件后形成一个孔；将一根玻璃棒插入孔中；将插入了玻璃棒的多孔玻璃体纯化；以及将在上述纯化步骤中经过纯化的多孔玻璃体熔凝。
文档编号G02B6/00GK1070897SQ9210422
公开日1993年4月14日 申请日期1992年4月30日 优先权日1991年4月30日
发明者日原弘, 奥诚人, 八木健, 本宪嗣, 佐藤继男, 吉田和昭, 森川孝行 申请人:古河电气工业株式会社