本發明屬于光纖通信技術領域，具體講是一種可滿足低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應用要求，直接暴露于航天器艙外，實現大容量數字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的艙外耐輻照光纜及其制作方法。

背景技術：
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隨著光纖通信技術在航天領域的深入應用，光纖作為一種實現航天器高速組網或大容量信息傳輸的媒質，其應用領域從艙內逐步拓展到艙外甚至深空更為復雜和惡劣的環境。艙外光纜直接暴露于艙外高度真空、大劑量輻照、寬溫變等條件下，為適應惡劣工況，在光纜設計和制作中對成纜材料有特殊要求，可供選擇的原材料范圍較窄，成纜工藝也較為特殊。

艙外光纜為國內首次提出并制作，其技術途徑多采用涂覆或直接擠塑的方式。涂覆方式是指在光纖外直接涂覆一層一定厚度的耐寬溫變硅樹脂，后續可采取氟緩沖包覆等其它方式，然后纖維增強后再制作一層氟外護套。直接擠塑方式是指在抗高輻照光纖外直接氟塑料緊包或松套緩沖。

采用耐寬溫變硅樹脂涂覆結合氟緊包的緩沖方式，這種技術途徑需將光纖進行多次涂覆固化，且所用涂層在航天真空環境中易引起持續釋氣，造成精密光學設備表面污染。同時由于所用光纖涂層模量較低，光纜整體偏柔軟，氟塑料會在艙外快溫變下持續老化、收縮，加速引起光纜變形，微彎損耗增加，長壽命難以保證。

直接采用氟塑料緩沖的方式，工序相對較少，成型工藝簡單，一般直接采取高溫擠塑成型的方式，但在長期極端高低溫條件下，特別是玻璃化溫度以下，光纜結構整體若設計不合理則會引起變形扭曲，這主要是因為聚合物的膨脹系數一般是玻璃的10～1000倍，膨脹系數不同會導致在低溫下的光纖受到應力。在高溫時，聚合物分子鏈活動增加，內應力會得到釋放。如果聚合物緩沖層保持在接近或高于玻璃化轉變溫度時，應力松弛會產生。對于較大長度的緊包緩沖型光纜，若后續成纜中材料、結構和工藝處理不當，則在長期高低溫交變下其 軸向應力層如擠塑緩沖層，軸向收縮會產生，這將會增加光纖使用時的壓縮應力。這種結構在-100℃～100℃極端快溫變下經過一定周期的溫度老化，會引起光纜損耗急劇增加。若采用松套緩沖，光纖余長難以控制，同樣會帶來后續微彎損耗持續增加的情況。

技術實現要素：
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本發明要解決的技術問題是，提供一種可滿足低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應用要求，直接暴露于航天器艙外，實現大容量數字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的艙外耐輻照光纜及其制作方法。

本發明的技術解決方案是，提供一種具有以下結構的艙外耐輻照光纜，包括光纖以及依次包覆在光纖上的耐高低溫涂層、耐高低溫氟緩沖層、增強纖維層和耐高低溫氟外護層，其中，耐高低溫涂層與耐高低溫氟緩沖層之間還有一層與光纖特性匹配的低膨脹系數緩沖層，增強纖維層由低收縮高強高模非金屬連續增強纖維編織成網狀結構。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，低膨脹系數緩沖層和耐高低溫氟緩沖層的單邊壁厚均可為0.2mm～0.3mm。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，低膨脹系數緩沖層可為膨體氟化物、發泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一種。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，增強纖維層中的纖維可為聚酰亞胺纖維、改性芳綸纖維或特種玻璃纖維中的任一種。本發明中的增強纖維保證高強高模特性的同時，具有一定的剛性和低伸長率、低收縮率，且纖維表面摩擦系數相對較大，與其它高強高模纖維對比能有效克服外護套收縮問題。纖維經適當的編織節距成型后，可以保證光纜在高低溫溫度交變時，光纜兩端處材料伸長降低，這樣則有效保證光纜后續制作接頭時，不會發生高低溫后端面伸出彎折引起光損耗增加或光纖斷裂的問題。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，耐高低溫氟緩沖層和耐高低溫氟外護層均可采用PFA、FEP或ETFE中的任一種。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，光纖可為特殊摻雜抗高輻照光纖，光纖可采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，耐高低溫涂層可為丙烯酸聚酯、聚 酰亞胺或耐高低溫硅樹脂中的任一種。

優選地，本發明所述的一種艙外耐輻照光纜，其中，光纖可采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。

另外，本發明還提供了一種艙外耐輻照光纜的制作方法，該制作方法包括以下步驟：

①、首先在光纖上涂覆耐高低溫涂層；

②、接著在耐高低溫涂層上擠塑一層與光纖)特性匹配的低膨脹系數緩沖層；

③、然后在低膨脹系數緩沖層上擠塑一層耐高低溫氟緩沖層；

④、接著在耐高低溫氟緩沖層外通過多股編織方式，編織成網狀結構的增強纖維層(5)；

⑤、最后在增強纖維層外擠制一層耐高低溫氟外護層，形成成品光纜。

優選地，本發明所述的艙外耐輻照光纜的制作方法，其中，低膨脹系數緩沖層可為剛性低膨脹系數材料，低膨脹系數緩沖層需經過280℃～320℃熔融高溫定向拉伸和真空緊包后，形成單邊厚度0.2mm～0.3mm的具有剛性的緊包層，耐高低溫氟緩沖層同樣通過280℃～320℃熔融高溫擠塑而成且單邊壁厚為0.2mm～0.3mm，實現兩層緩沖層工藝溫度匹配，并通過熱、冷水冷卻的方式將兩層有效結合在一起，形成柔韌性較好的復合光單元。

采用以上結構及方法后，與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明在耐高低溫涂層與耐高低溫氟緩沖層之間引入一層膨脹系數匹配的剛性相對較強的緩沖層，并在該緩沖層上再擠塑一層柔性氟緩沖層，形成韌性較好的復合緩沖光單元，光纖所受應力極小，提升了光纜整體的韌性，避免高低溫下變形，同時這種緩沖層可以極好的降低極端快溫變對光纖產生的應力，降低微彎損耗。另外，由低收縮高強高模非金屬連續增強纖維編織成網狀結構的增強纖維層可有效降低光纜在高低溫下的收縮效應，降低后續光纜應用中熱預處理的周期，成型后結構穩定性得到有效保證。本發明通過采用復合緩沖、纖維增強、外護層擠塑的方式形成一個圓整的結構，確保復合緩沖層耐極端快溫變性能，而外護層和低收縮增強層很好的保護了光單元不受機械應力的損傷，降低光纜整體熱收縮變形。綜上所述，本發明滿足了低損耗、抗高輻照、耐極端快溫變、低收縮、抗彎曲等宇航應用要求，可直接暴露于航天器艙外，實現大容量數字、圖像、音視頻傳輸或穿艙互連用的功能。

附圖說明：

圖1為本發明一種艙外耐輻照光纜的結構示意圖；

圖2為本發明一種艙外耐輻照光纜的制作工藝流程圖。

具體實施方式：

下面結合附圖和具體實施方式對本發明一種艙外耐輻照光纜及其制作方法作進一步詳細說明：

如圖1所示，本發明一種艙外耐輻照光纜包括包括光纖1以及依次包覆在光纖1上的耐高低溫涂層2、耐高低溫氟緩沖層4、增強纖維層5和耐高低溫氟外護層6，耐高低溫涂層2與耐高低溫氟緩沖層4之間還有一層與光纖1特性匹配的具有一定剛性的低膨脹系數緩沖層3，增強纖維層5由低收縮高強高模非金屬連續增強纖維編織成網狀結構，低膨脹系數緩沖層3和柔性相對較好的耐高低溫氟緩沖層4組成復合緩沖層。本發明中的低膨脹系數緩沖層3由膨體氟化物、發泡氟化物、共聚酯或芳香共聚物中的任一種擠塑而成，耐高低溫氟緩沖層4和耐高低溫氟外護層6均采用PFA、FEP或ETFE中的任一種，耐高低溫涂層2為丙烯酸聚酯、聚酰亞胺或耐高低溫硅樹脂中的任一種。

復合緩沖層直接起到降低光纖在寬溫變下所受應力大小及光傳輸的穩定性，傳統緩沖層為降低光纖溫度應力，多采取單一柔性層，起到應力緩沖和釋放的作用，但這種結構難以適應寬溫變的要求，長期往復循環下柔性緩沖層應力會積累，引起結構變形，逐步破壞光纖的傳輸性能。為避免結構松弛、材料老化引起的應力疊加，以及光纜在應力情況下輻照會加劇機械性能劣化。本發明采用由低膨脹系數緩沖層3和耐高低溫氟緩沖層4組成的獨特的復合緩沖結構，從而起到剛柔并濟的效果。剛性緩沖層即低膨脹系數緩沖層3在高低溫下極為穩定，可直接抵消其余柔性層的應力，保證光纜在高低溫沖擊時結構具有較好的承受能力和穩定性，應力傳遞不到核心傳輸元件光纖上。柔性二次緩沖層即耐高低溫氟緩沖層4又可對剛性層起到良好的柔性緩沖作用，保證復合緩沖層整體的柔韌性和彎曲特性，提升光纜整體的彎曲能力，使得光纜整體在小彎曲半徑下可靠應用。此外，通過在擠制一層薄壁柔性外護套，保證光纜結構整體狀態穩定。上述結構可良好的適應艙外環境。

本發明為實現高輻照條件下光信號的穩定傳輸，在光纖1設計上采用了一種可與普通單 模光纖兼容的新型耐高溫抗高輻照光纖，光纖1為特殊摻雜抗高輻照光纖，光纖1采用純硅芯、包層摻氟或芯包層共摻氟的方式。摻雜元素的引入減少低能量狀態的缺陷結構的斷網幾率，缺陷濃度下降。適量摻雜元素能使被破壞的網絡修復，保持網絡的穩定性，在輻照衰減中主要表現為感生損耗穩定。在高輻照劑量下，輻照能量會引起光纜材料化學鍵的斷裂，引起材料的強度和延伸特性發生劣化，甚至造成開裂。本發明艙外耐輻照光纜所用其它成纜材料均具有良好的抗18Mrad(Si)以上總劑量的能力，且材料本身耐受余量較大。

耐輻照光纜因受原材料本身特性限制，可用于宇航環境的光纜材料多具有抗輻照、耐高低溫的特點，但這些材料在長期高低溫老化條件下會因光纜各層結構之間的收縮特性差異，引起光纜各層之間相對收縮。若收縮過大，短期可能引起鏈路衰減增加，長期則會引起光纜與后續固定接頭之間變形、脫離甚至失效。為保證光纜在長期高低溫下的應用穩定，本發明艙外耐輻照光纜采用低收縮高強高模非金屬連續增強纖維，這種低收縮高強高模非金屬連續增強纖維為聚酰亞胺纖維、改性芳綸纖維或特種玻璃纖維中的任一種。這種纖維剛性較強且表面摩擦系數相對較大，同時作為增強層可與復合緩沖層、外護層之間的相對位移降低，相對變化減小，從而降低光纜整體的收縮。此外，所用低收縮纖維與光纜其它層之間熱學特性匹配，在高低溫狀態下可保證光纜結構的穩定性。

艙外-100℃～100℃極端快溫變下，高低溫交變次數達6萬次以上，且快溫交變周期僅為1個半小時左右。長期快溫變使得光纜所用材料低溫收縮和模量增加，造成光纖出現微彎現象，引起損耗增加。高低溫往復循環、極低溫度、高溫下長期工作都會引起光纜護套料及光纖涂層料發生疲勞效應，材料發生脆化、引起護套層開裂，導致光纜失效。為解決艙外耐-100℃～100℃極端快溫變問題，本發明通過優化選用耐寬溫變性能優異的原材料，其溫度范圍均可滿足-100℃～100℃的要求，且光纜材料在該溫度下結構長期穩定。所選增強纖維材料熱收縮穩定性好，且具有一定的剛性，與其它柔性材料會產生應力變形，而纖維的剛性網狀結構，保證纜芯內應力相互沖消，可有效緩沖應力及形變，保證光纜結構在高低溫下的穩定性。

本發明中緩沖層的厚度是非常講究的，為適應艙外輻照環境，選用的抗高輻照光纖經過特殊摻雜，滿足了艙外輻照下傳輸損耗的要求，但光纖本身對彎曲和壓力等應力較為敏感， 這本身就是一種性能的平衡和取舍。經過大量驗證，低膨脹系數緩沖層和氟緩沖層厚度較薄時，高低溫下材料收縮應力小且損耗較低，緩沖層柔韌性有一定提升，但抗壓力等機械特性較差，雖然應用時光纜長度較短，但光纜不能滿足自身標準要求；低膨脹系數緩沖層厚度較薄，氟緩沖層厚度較厚時，雖然抗壓力等機械特性有提升，緩沖層柔韌性提升較高，但高低溫下氟材料收縮應力大且損耗較高，這對光纜的關鍵傳輸性能影響就較大；低膨脹系數緩沖層厚度增加，氟緩沖層具有一定厚度時，不僅抗壓力等機械特性有提升，緩沖層柔韌性提升較高，且極端高低溫下光纜的傳輸性能不會受到影響。本發明通過兩層緩沖層之間厚度設計及機械和高低溫適應性驗證，最終確認低膨脹系數緩沖層3和耐高低溫氟緩沖層4的單邊壁厚均選擇為0.2mm～0.3mm。

如圖2所示，本發明一種艙外抗高輻照光纜的制作方法采用了以下五道工序：

①、首先在光纖1上涂覆一定厚度的耐高低溫涂層2；

②、接著在耐高低溫涂層2上擠塑一層與光纖1特性匹配的低膨脹系數緩沖層3；

③、然后在低膨脹系數緩沖層3上再擠塑一層耐高低溫氟緩沖層4，從而形成復合緩沖層；

④、接著在耐高低溫氟緩沖層4外通過多股編織方式，將高強高模、低收縮紗線均勻致密的纏繞在復合緩沖層的四周，編織成網狀結構的增強纖維層5；

⑤、最后通過高溫外護層擠塑方式在增強纖維層5外擠制一層耐高低溫氟外護層6，完成光纜的研制。

在上述流程中，低膨脹系數緩沖層3為剛性低膨脹系數材料，低膨脹系數緩沖層2需經過280℃～320℃熔融高溫定向拉伸和真空緊包后，形成單邊厚度0.2mm～0.3mm的具有剛性的緊包層。這種剛性緩沖層有別于傳統高溫擠塑柔性緩沖層，剛性緩沖時高低溫條件下光纜其它材料收縮等應力會由剛性層直接承受，難以傳遞至光纖，而傳統柔性緩沖層則是高低溫下材料應力被逐漸吸收和緩沖，應力在一定范圍內可以消除。此外，經過真空緊包，有效改善緊包層易折的問題。氟緩沖層可以有效改善第一層剛性緩沖層帶來的不耐磨、易開裂問題，因此，本發明中的耐高低溫氟緩沖層4同樣需要通過280℃～320℃熔融高溫擠塑而成且單邊壁厚為0.2mm～0.3mm，實現兩層緩沖層工藝溫度匹配，并通過熱、冷水冷卻的方式將兩層有 效結合在一起，形成柔韌性較好的復合光單元，克服第一層緩沖層的韌性差、易折的缺陷。

本發明通過獨特的復合緩沖光單元和低收縮高強高模纖維增強方式，優化選用光纖一次、二次緩沖層和增強纖維，與光纖涂層和外護套材料等材料匹配，通過二次復合緩沖、纖維編織增強、薄壁氟外護層擠塑等技術途徑，以及合理緩沖外徑、增強節距等工藝參數控制，使得抗高輻照光纖在艙外極端快溫變下的附加損耗較低且穩定性得到有效控制。此種結構制作的艙外光纜有效降低光纖在艙外惡劣環境下受到的應力，保證光纖在寬溫變、高輻照劑量、小彎曲半徑等條件下具有較低的和穩定的傳輸損耗。

本發明一種艙外耐輻照光纜具有衰減常數低(α_1310nm≤0.5dB/km、α_1550nm≤0.25dB/km)、抗高輻照(≥18Mrad(Si))、耐寬溫變(-100℃～100℃)、低收縮外徑細(≤2mm)以及彎曲性能好(彎曲半徑≤50mm)等優點，且滿足中子輻照、熱真空、真空釋氣和材料毒性等艙外宇航應用條件。

以上所述的實施方式僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。