专利名称：一种稳定的长光导纤维束捆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稳定的长光导纤维束捆。
将光导纤维用于两个或两个以上运动物体之间或一个运动物体与一个控制站之间的双路数据通讯的军事系统和通讯系统业已产生并正处于发展之中。这种应用包括用作飞机之间、飞机与船舶之间以及诸如导弹一类的发射体与发射地的控制站之间的通讯导线。将光导纤维用于这类通讯的优点在于克服了电磁干扰及其它不希望产生的干扰。
然而，在采用光导纤维时，存在着一些其它形式的通讯中所没有的缺点。光导纤维不如金属导体坚固耐用，因而易于断裂。除断裂外，当光导纤维因受弯曲或承受其它应力而在内部产生微弯曲时，会降低光导纤维的通讯性能。对光导纤维的这种损害不仅降低纤维的长期使用寿命，而且会导致强度方面及光信号容量方面的损失。
光导纤维在军事系统中的典型应用是，将一捆具有连续长度的光导纤维缠绕在一个安置于飞行器内的绕线轴芯上。这种飞行器通常被称为系留飞行器。纤维的一端系在飞行器上的操作装置上，纤维的另一端则与发射场的控制站或通讯站连接。在发射过程中或发射后，光导纤维传导着与飞行器的双路通讯。
为了用于这种布置形式，必须提供一种可靠的、紧凑的光导纤维捆，它可以装在飞行器内，并且在飞行器飞行过程中能可靠地展开光导纤维。金属导体在制导或控制被发射的飞行体方面的应用已为众所周知，如美国3，114，456，3，156，185和3，319，781号专利中所公开的那样。如前所述，光导纤维的特点导致了一些在用金属导体进行通讯时所未有的困难。为了使光导纤维能够以较高的速度从绕线轴芯上展开，需要采取一些特殊的处理。
问题之一是，当光导纤维用在较恶劣的环境中，如用于水下电缆或军事应用时，对纤维的物理特性要求更加严格。此外，可能需要极长的光导纤维，而这样的长纤维是由多个现有技术能制造出的纤维长度拼接而成的。对于这些应用或其它应用，将两纤维的端部的涂敷材料去除，然后将两纤维首尾相接地熔合在一起的拼接方法提供了一种将两根玻璃纤维端部相接并且损失尚可接受的适当方法。
拼接好的纤维上裸露的端部必须重新涂敷，并且要严格地符合对涂敷纤维的尺寸和强度参数的要求。典型的情况是，重新涂敷的材料接触到拼接纤维上与原涂敷部分相邻的且在原涂敷材料从端部去除时沿径向平面裸露出来的部分以及与该径向平面相邻并与原涂敷部分重叠的部分。所以，由经这样处理的涂敷材料产生的重新涂敷拼接部分的横截面要大于其有原涂敷材料的光导纤维的横截面。
在典型的系留飞行器上，光导纤维绕在一个展卷装置上并与制导系统相连接。随着飞行器的移动，光导纤维被展卷。对于系留飞行器，光导纤维在展卷装置上的缠绕必须精确地进行。否则展卷运动可能会中止。人们已经发现，如果被重新涂敷的拼接部分在垂直于光导纤维纵向轴的方向上的截面积不同于原已涂敷的光导纤维，则在展卷装置上的绕线分布就不大可能均匀。这将在纤维随着系留飞行器发射后的展卷过程产生问题。这个问题已经被解决了。采用公开在4，865，411号美国专利中的方法和装置，可以获得横截面与未拼接纤维相同的重新涂敷后的拼接纤维。
在用光导纤维制导系留飞行器方面的另一个问题是在绕线轴芯随飞行器一同被推进时纤维能否从绕线轴芯上成功地展开。光导纤维的前端与制导系统连接，用于控制飞行器的运动轨迹。因此光导纤维能够无障碍地以轴芯上展开是十分重要的，否则，纤维可能断裂，从而使控制系统失灵。一个精确的绕线捆有助于光导纤维的顺利的展开。另外，不仅每在缠绕时要精确，而且在输送和展开时也要保持原位。换句话说，光导纤维捆必须稳定。另一方面，应该便于展开，而不必用很大的推力将每匝纤维从轴芯上移下来。
在用于系留飞行器的光导纤维捆上，多层光导纤维缠绕在一基层纤维上。在每圈光导纤维之间涂有粘性材料，使其保持成捆，形成一个可抗恶劣环境、抗冲击、抗振动的稳定结构。用于保持各匝成一体的粘性材料最好对缠绕的光导纤维的光学性能影响最小，同时在最外圈以高速展开时又允许光导纤维在作用于剥离点的控制力下展开。见4，950，049号美国专利。这些要求对于粘性系统有点儿矛盾。
在现有技术中需要但似乎并不存在一种既可靠又经济的方法，来保持或固定光导纤维的第一基层，即位于邻近缠绕光导纤维用的轴芯或芯轴的柱面的那层。把纤维的基层固定到轴芯上的方法须能防止纤维的横向移动。如果纤维的第一层产生了横向移动，则会破坏理想的缠绕结构，从而易于产生或导致展开分配错误。
一般地，在现有系统中采用一个独立的基层结构，以建立光导纤维在缠绕时所循的合适的缠绕路径。通常采用的基层结构是用精密不锈钢丝或其它柱形材料精确地缠在轴芯表面上。然后，在这层线圈形成的沟槽内缠绕光导纤维。如采用这种技术，柱形材料总保持缠在轴芯上并成为光导纤维捆的一部分。
另一种提供沟槽的方法是，用制陶材料涂敷在轴芯表面，然后用柱形的成形装置如单塑料丝或金属丝在该表面上刻痕。随后移去柱形成形装置，从而在制陶材料中留下“刻痕”，使纤维可沿该刻痕绕在轴芯上。另一种比较昂贵的方法是，用极精密的加工或铸造工艺在轴芯表面本身制出沟槽。然而，在上述的各种现有方法中，要求被缠绕的纤维与基层结构上的沟槽的尺寸比必须严格匹配，以便控制理想的纤维捆形状。
人们仍然需要的是更可靠、稳定的长光导纤维束捆。特别是，人们寻求一种方法和设备来得到可精确地缠绕光导纤维并且制造性能好的轴芯，其中，轴芯或芯轴与纤维的内层是靠摩擦增强材料保持在一起的。摩擦增强材料应保证能够稳定纤维捆，同时又允许其以高速打开。另外，该方法应易于从一个轴芯到另一轴芯上重复使用。
上述的各种存在于现有技术中的问题已通过本发明的方法和装置得到了解决。
图1是一条生产线的示意图，该生产线用本发明的方法将粘性材料用于光导纤维;
图2是一条光导纤维的横剖面图，该纤维上提供有一涂层和一粘性材料层;
图3是图1所示生产线的部分视图;
图4是中间卷线筒的部分横向剖面图，多组线圈松弛地绕在该中间卷线筒上;
图5所示的示意图表示了光导纤维以松绕在中间卷线筒过渡到精确地紧绕在轴芯上的过程;
图6是光导纤维捆的部分视图，其包括多圈绕在轴芯上的光导纤维;
图7是一装置的示意图，该装置用于在光导纤维绕在轴芯上后处理各匝光导纤维上的粘性材料;
图8表示了一种热塑材料在经受热处理时其参数的变化曲线;
图9-12是一系列放大的视图，其中表示了介于粘性材料与相邻的绕在轴芯上的光导纤维圈之间的界面的分子水平随界面经过若干过渡阶段形成粘性材料与部分相邻纤维圈之间的界面键合的过程的状态变化;
图13是本发明的稳定纤维捆应用的示意图。
参照图1，其中表示了一条生产线。该生产线是部分地用来生产一个涂有粘性材料的长形材料如光导纤维。涂有粘性材料的光导纤维被用于提供一种稳定的、精确地绕制而成的光导纤维捆。该生产线用标记20表示，其中包括一个带涂层的光导纤维22(见图2)的卷线筒21。由图2中还可以看出，光导纤维22包括一个芯24，一个包层26，一个涂层27。除了用单涂层27外，也可以使用现有技术中已知的双涂层。一般地，带涂层的光导纤维22的外径是250μm。以下光导纤维均用于指带有单层或双层保护层的光导纤维。
如图1所示，光导纤维22从供线卷线筒21上拉出，并经过一个直径测量仪29沿着一个运动轨迹前移。该运动轨迹在图3所示实施例中为铅垂方向。直径测量仪29可在市场买到，例如Lasermile千分尺可以从Techmet公司买到。
随后，带涂层的光导纤维又前移到敷贴器30处。敷贴器30的作用是向有涂层的光导纤维上敷撒粘性材料32。在最终绕成的光导纤维捆中，就是靠粘性材料保证光导纤维在被拉开之前可保持各圈纤维成一体。
敷贴器30包括一敷料杯34(见图3)，用于容装一池液态的粘性材料32。光导纤维的每一增长段在移过该池后，将移经一整形模36。整形模36可以是刚性模或柔性箍。模的尺寸决定了光导纤维从敷贴器30中出来时将带有一层敷在其上的粘性材料32。如果采用柔性箍，则可用夹头或类似于4，370，355号美国专利中公开的那种隔膜圈装置改变柔性箍的内径。在本说明中将参考该专利文件。
在本发明的最佳实施例中，在轴芯表面上涂敷一层摩擦增强材料，用以保证第一层纤维能相当稳定地保持在相对轴芯的正确位置上。这种采用摩擦增强材料的方法可节省基层金属丝。因而，在同时采用粘性材料和摩擦增强材料的情况下，前者的作用在于保证相邻的光导纤维之间保持在理想的相对应的构造和方向上，而后者则提供了被缠绕的第一层纤维与卷线筒或轴芯表面之间的临界抓着力。
在光导纤维上涂敷任意标号的摩擦增加材料和粘性材料都能提供稳定的纤维捆。例如，可以采用热塑材料，非结晶体材料或半结晶材料，可以采用热熔材料，热固材料或蜡或其它可以在热处理或按时或接触溶剂的条件下形成界面粘接层的材料。在最佳实施例中，粘性材料采用的是聚乙烯醇缩丁醛塑料。
重要的是，粘性材料必须满足特定的要求。如4，950，049号美国专利中所公开的，粘性材料应该能够涂敷在光导纤维上，最好是以液态涂敷，并且当光导纤维绕在中间卷线筒上时不产生粘接作用。另外，应该注意，摩擦增强材料和/或粘性材料应能经处理后在绕在轴芯上的光导纤维的相邻各匝之间至少产生部分的粘接作用。必须保证粘接，不仅可以使光导纤维捆稳定，而且还允许光导纤维圈在不损坏纤维的条件下从卷线筒的轴芯上拉出。
如上所述，在最佳实施例中，粘性材料是聚乙烯醇缩丁醛。在敷贴器30的容料池中装有聚乙烯醇缩丁醛与溶剂组成的混合物。在最佳实施例中，溶剂为甲基、乙基酮。
在完成了对光导纤维上的粘性材料按4，950，049号美国专利中所述方式进行的干燥和处理之后，将光导纤维绕在中间卷线筒44上成多圈。在中间卷线筒44上缠绕时要让光导纤维略微松弛地绕在卷线筒上(见图4)。一般地，当光导纤维松弛地绕在中间卷线筒44上时，其张力约为30至40克。
然后，布置松绕着光导纤维的卷线筒44和另一卷线筒;为再缠绕过程作准备。后一卷线筒被称作展线或支承轴芯，用标记50表示(见图5)。轴芯50通常是由金属、塑料或组合材料制成，其上有一个自法兰51起略呈锥形的轴。在该工作过程中，光导纤维从一组松绕的线圈被重新绕制成一个精确绕制的纤维捆52;纤维捆是由若干54-54层组成的(见图6)，每一层都包含有一组紧绕的线圈56-56。为了进行再绕过程，光导纤维的拉力约达到100克。精密的绕制过程可以按诸如4，746，080号美国专利中所示的过程进行，它既费时，又要在较低的线速度下进行。
根据本发明的最佳实施例;在与缠绕的光导纤维的第一层直接相邻的卷线筒或轴芯上的至少部分表面处，用摩擦增强材料处理，以防第一层纤维相对于轴芯产生横向移动。一般地，光导纤维被绕在一个锥形的轴芯或心轴上，而且是以轴芯的底部或大端开始绕制的。
如前已述及，现有的绕制光导纤维用的心轴结构需要在心轴的光滑柱面与被绕纤维的第一层之间包含一中间的带沟槽的基层。所增加的这个基层结构是用于防止纤维的第一层相对于轴芯横向移动。至今尚无一种方法能克服由于缺少轴芯表面尺寸的规格而产生的带沟槽基层结构的昂贵及不便等弊端。在采用锥形轴芯时，如果没有支持第一层的相应结构，纤维则趋向于沿轴芯的光滑柱面向轴芯的小端方向滑动。
本发明提出了将本文及4，950，049号美国专利中提出的前述的预敷上粘性涂层的纤维与沿其柱面上涂有一层适当的摩擦增强材料的轴芯共同使用，从而提供了一种不需要任何带沟槽的基层结构即可确定光导纤维缠绕布局的缠绕方法。另外，本发明完全不需要象以往技术那样必须严格地控制纤维的缠绕比例。此外，本发明的构思进一步推进了预敷粘性材料的纤维的使用，因为紧绕捆的产生增加了粘性表面之间的接触。
根据本发明，涂在轴芯的绕线表面上的专用摩擦增强材料最好是塑性材料，如室温硫化硅(RTV)和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)或类似物。苯乙烯-丁二烯橡胶是位于加利福尼亚州卡森的电气产品公司的产品，目前在工业上是以E-6000粘性剂出售的。苯乙烯丁二烯橡胶具有理想的柔性(短A硬度计70-85)，因而可为纤维提供一“轨道”，其表面摩擦力足以防止纤维捆的横向移动。特别是已经发现无论轴芯是由金属还是聚合材料制成，E6000粘性材料都可以在轴芯表面产生很稳定的粘接力。不过，应该强调，按照本发明方法采用任一种已知的，能满足要求指标的摩擦增强材料都属于本发明的范围。
应该指出，尽管前面特指了一种最佳的摩擦增强材料，但在本发明的第二实施例中也采用了一种可处理的粘性材料，将其涂敷在诸如纤维的长度方向上及轴芯的光滑表面上。对此，现可参考附图8，其中的曲线70描绘了热塑材料的模量特性。在室温下，或在光导纤维工作温度范围(即低于70℃)内，材料处于玻璃状区，用标号72表示。此时材料无粘性。然后，随着温度的升高，模量减小，经过一过渡区74降至基本上沿76和78的橡胶状区域。粘度取决于热塑材料在升高的温度下暴露的时间长短以及温度值。根据所需粘接力的大小，可以通过将组合材料在曲线74、76或78部分所示的范围内加热来增强粘接力。对某些材料，在过渡区的粘接力就已足够了。
现参照图9-12。其中表示了一组图，用以描绘在纤维第一层上的粘性材料与轴芯表面上的粘性材料之间的界面80上分子键的构成。对于热塑性材料，随着组成塑料的分子链的交联或移位，在与粘性材料相接的界面上将产生分子键合力。
键合力的大小与发生在与粘性材料交接处的键分子链交联程度有关。而且键合力随着粘性材料所承受的温度升高或随着承受着某给定温度的时间增长而增强。图10-12表示了随着温度经过74，76，78区，键合力逐渐提高。对每一特定的涂敷所要求的粘接力大小就决定了光导纤维承受加热的时间或温度或二者兼有。
由于在界面上产生了如图9-12所描绘的键合作用或如通常所称的分子移动，光导纤维的各圈都被保持为一体并且第一层纤维被固定在轴芯表面上。如图9所示，在未经装置60处理之前，在整过界面80上粘性材料32的各部分没有键合作用。当进入处理装置60后，在交接部分的粘性材料开始出现分子键合(见图10)。在给定的温度下加热一预定的时间后，界面80上产生了足以使各纤维圈固定在一起的分子键合力(见图11-12)。结果就产生了一个稳定的纤维绕线捆。此时可以保证各圈可保持在原位不动。但是键合力还不足以阻止光导纤维从轴芯上拉开。在预期的拉力下，每圈纤维都可以连续地与其相邻圈的纤维分开。在适当的拉力下，第一层纤维可以无损坏地与轴芯表面分开。必须认识到，只是在接触点上才产生分子移动，从而在交界处产生交联的分子链。
需要强调的是，任一种粘性材料、只要能在相邻纤维圈的交接处的界面上和在第一层纤维与轴芯的柱面之间的界面上，经过适当处理即可产生分子键合作用，则都能产生适当的粘合作用。这种材料包括热固材料、热熔粘接材料或热塑材料，如非结晶体材料或半结晶体材料。当冷却时，在界面上产生分子健合力，使各圈纤维固定在一定位置上。
对聚乙烯醇缩丁醛，热处理温度范围约为70℃到120℃。对于其它适用的材料，热处理温度范围可以不同，但大体上都在70℃以上。处理时间、温度及所需要的粘合力则视所用粘性材料的粘性而定。
可以用许多种合适装置来提供热处理温度，例如可以用火或微波炉作为加热设施。可以对粘性材料施加微波能量使其被加热。用微波能量对粘性材料加温时，轴芯50必须是非金属材料制成的。另外，由于本发明采用摩擦增强材料，因而不需要采用不锈钢丝基层配料，这就可以使用微波能量，从而大大地减少了所需要的处理时间。另一种方法是，用真空装置将各圈间的空隙内的空气抽掉。随后引入蒸汽或液体材料，使各圈的接触部分粘在一起。最后再用真空装置将多余的材料抽掉。
通过控制精密地绕在轴芯50各圈之间的粘性，可以避免纤维在以高速展开时对纤维的损坏。当然，粘接时间和温度将根据敷在光导纤维上的特定的粘性材料而定。
对于位于相邻纤维圈之间界面处的热塑材料，图8所示的热塑材料的转变过程是可逆的。当粘性材料冷却时，相邻纤维圈之间的交接部分的粘合区是固定不动的或冻结了的，它不随时间而变化。当光导纤维被冷却到环境温度时，界面粘合力维持在高温加热时所获得的粘合力水平上。那些没有键合的表面部分又回到了玻璃状态，如图8所示。用在室温下无粘性的玻璃态粘性材料便于在光导纤维上高速、均匀地涂敷，并且便于在轴芯上缠绕纤维圈。通过热塑材料在过渡区或橡胶状区域内产生的粘性可以产生和控制粘接力。
与相邻圈上的粘性材料无接触面的光导纤维上的粘性材料的扇形体在冷却时回复到玻璃状态是有利的。这些表面的特点是摩擦系数较低。这种低摩擦系数的玻璃状表面有利于光导纤维以高速拉开。如果表面不具备这种特点，则在纤维被接开时，包括每圈纤维的部分在其它圈表面上某部分上滑动时，可能会使相邻的纤维圈过早地被移出，从而使纤维捆被打乱。这种不利的情况可能会出现在展开多圈纤维的情况下，从而可能导致纤维之间的绞绕。纤维圈上无分子键合作用的低摩擦系数表面的优点在于既防止了拉出多圈的情况，又使每一圈可以轻易地从另一圈表面上被拉开。
精密绕制的光导纤维捆52可以用于诸如控制导弹飞行轨道等方面。在这种情况下，已绕上光导纤维的轴芯50被装在导弹80上(见图13)。光导纤维的内端81连到导弹内的装置83上，纤维的引导端85则与控制站87相连。导弹发射后，其飞行轨迹将由控制站87来控制，而控制站通过光导纤维22与导弹80通讯。当导弹从控制站87移到目标90时，光导纤维从轴芯50上无法兰的一端拉开，以便保持控制站与导弹之间的通讯。
权利要求
1.一个由一根光导纤维构成的光导纤维捆，该光导纤维绕成多圈，其最里圈上至少一部分与一支撑轴芯上至少一部分相邻，其特征是一层摩擦增强材料将光导纤维的最里圈粘到支撑轴芯上。
2.如权利要求1所述的光导纤维捆，其特征在于，摩擦增强材料是室温下硫化(RTV)的硅。
3.如权利要求1所述的光导纤维捆，其特征在于，摩擦增强材料是苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)。
4.如权利要求1所述的光导纤维捆，其特征在于还包括在所述光导纤维上增加的长度上，涂有一层粘性材料，在适当的处理下，在粘性材料各部分之间的界面上可产生分子键合力，所述光导纤维的交接部分上的所述粘性材料被分子键合力粘接在一起，而所述光导纤维的其它部分则具有一个摩擦系数较低的外表面。
5.如权利要求4所述的光导纤维捆，其特征在于，所述粘性材料选自于包括热塑材料，热熔材料、热固材料、焊料和蜡在内的同类材料。
6.如权利要求5所述的光导纤维捆，其特征在于，所述粘性材料包括由聚乙烯醇缩丁醛与溶剂组成的混合物。
7.一种制备光导纤维捆的方法，其特征在于该方法包括如下步骤用摩擦增强材料涂在支撑轴芯的一部分上;将这根光导纤维绕成一组线圈，每一线圈都与另一线圈至少一部分贴合，纤维的最里层则用摩擦增强材料粘到支撑轴芯的一部分上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，摩擦增强材料包括室温下硫化(RTV)的硅。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，摩擦增强材料包括苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)。
全文摘要
本发明的光导纤维捆是在绕光导纤维用的轴芯或心轴的光滑表面上涂敷摩擦增强材料。摩擦增强材料将纤维的第一层粘到轴芯的光滑表面上，从而不再需要另设基层结构来建立和保持纤维的缠绕轨迹，另外，摩擦增强材料防止纤维的第一层相对于轴芯横向移动。摩擦增强材料最好是塑性材料。另外，光导纤维捆也可以在第一层纤维与轴芯间使用摩擦增强材料的同时，沿光导纤维的长度方向上又涂敷粘性材料。这样，就制备出一种稳定的长光导纤维捆。
文档编号G02B6/44GK1084642SQ93109429
公开日1994年3月30日 申请日期1993年6月29日 优先权日1992年6月30日
发明者R·J·达西 申请人:美国电话电报公司