光通讯基础知识

光缆材料的质量评价（上）摘要本文介绍了光缆缆主要材料应应具备的特性性，如何评价价材料的优劣劣，劣质材料料对光缆的性性能影响，以以及在可靠性性和寿命方面面需要考虑的的问题。涉及及的材料包括括护套材料、油油膏、套管材材料和金属包包带等。关键词：光缆，材材料，质量，可可靠性前言

我们知知道，光纤是是传输光信号号的载体，它它可以传送超超大容量的信信号，然而光光纤本身是脆脆弱的。传输输的信息量越越大时，对载载体的可靠性性要求就越高高。人们把光光纤做成光缆缆，是对光纤纤的保护，光光缆要适应不不同的敷设环环境，要能使使用很多年。必必须使用性能能优良的材料料，才能保证证在使用期内内对光纤的保保护。

光缆的的基本设计原原则是：11，提供适度度的机械保护护。2，保证光缆缆适应长期恶恶劣的环境条条件，热，氧氧，紫外线，化化学物质等。3，保证成缆后光纤在运行时尽量少受应力，通常成缆光纤的长期残余应力不超过筛选张力的20%至25%。4，光缆应易于施工，敷设和维护，具有较小的摩擦系数，易于开缆，接续简便。[1]

光缆的的性能我们可可以从两个大大的方面来考考虑，一是使使用性能，二二是可靠性。作作为使用性能能，包括光学学特性、机械械性能、环境境性能等；而而可靠性则是是基于对长期期寿命的考虑虑。除了合理理的光缆生产产工艺和结构构，材料性能能的影响是很很关键的，特特别对于光缆缆的可靠性是是至关重要的的。因此对于于光缆材料的的选择，需要要从多方面来来平衡：机械械强度是否对对光纤形成足足够的保护；；在各种气候候条件下性能能的下降速度度如何；是不不是在生产加加工时具有可可操作性；合合理的成本；；对环境的影影响。

在光缆缆发展过程中中，沿用了一一些电缆用的的材料，如聚聚乙烯护套，油油膏，金属复复合带等。针针对光缆的特特殊性，这些些材料或多或或少都做了改改性。在光缆缆得以广泛应应用的这200年中，材料料也是在不断断地发展变化化。

最近一一段时间，国国际和国内光光缆市场急剧剧变化，价格格不断下降。由由此光缆制造造的成本压力力也不断增加加。在过去，光光纤在光缆的的成本中占主主导地位，通通常占到700％，随着光光纤价格的下下降，其它材材料的成本比比重越来越大大。在光缆市市场上，不同同价格的光缆缆的成本存在在着差别，那那么所用材料料也可能有所所不同。有些些光缆产品，虽虽然可以通过过光缆的出厂厂验收，但其其所用原材料料的品质上存存在缺陷，会会对光缆的可可靠性带来潜潜在的问题。光缆的使用者，希希望了解如何何去识别材料料的差异。本本文将通过对对光缆材料的的一些重要性性能指标的分分析，来说明明材料的质量量差别如何来来区分，一种种材料的质量量好，它应该该好在什么地地方，会对提提高光缆性能能和可靠性起起哪些作用。对对于质量差的的材料应该注注意些什么指指标，差的地地方会对光缆缆性能和可靠靠性造成什么么影响。

高分子材料使使用寿命的预预测

从重量量和占的体积积来看，光缆缆中的大部分分材料是高分分子材料，高高分子材料的的使用寿命通通常使用阿仑仑尼乌斯定理理来预测[22]：(1)

其中k是高聚聚物反应速率率(降解)，A是常数，E是活化能，RR是气体常数数，T是绝对温度度。将公式1对时间间积分，可得得到 (22)公式2的左边代代表在t时间内发生生的反应或分分子降解的数数量。如果分分子降解数目目达到临界值值Mc，高聚物就就会失效。达达到临界值MMc所需的时间间Tc被定义为高高聚物的使用用寿命。(3))从上式可以看出出，高分子材材料的使用寿寿命主要取决决于材料的活活性和使用环环境。护套材料光缆的护套直接接与外界环境境相接触，护护套材料的选选择需要考虑虑多方面的因因素。聚乙烯烯分子结构为为，-[CHH2-CH2]n-。它具有相相对密度小，化化学稳定性好好、耐水、介介电常数小，电电绝缘性能好好等特点。简简单的分子结结构使其具有有良好的化学学稳定性，加加之具有合理理的成本，从从上世纪400年代起，聚聚乙烯就广泛泛地用于通信信电缆护套材材料。电信与与线缆工艺的的不断发展对对护套材料的的改进提出新新的要求。而而聚乙烯制造造工艺的不断断进步，包括括催化剂和反反应过程的技技术进步，使使得聚乙烯护护套材料的性性能能够满足足这些新的需需求。线缆行业使用的的聚乙烯护套套料主要有：：LLDPEE，MDPE，HDPE。其其特性比较见见图1、2

图1

图2从以上各项特性性可见，MDDPE和HDPE具有有较高的硬度度、杨氏模量量，较低的热热变形、磨耗耗、透水率、热热回缩和摩擦擦系数。早期期的HDPEE护套料有回回缩大，耐环环境应力差，加加工性能差等等缺点。MDDPE护套料料则是结合了了LLDPEE和HDPE的优优点，专为光光缆开发的护护套材料，具具有更好的综综合性能。近近年来随着材材料技术的发发展，HDPPE护套料的的上述缺点也也得到了很大大的改进。因因此，它们都都是适于制造造光缆护套的的材料。LLLDPE由于于一些性能上上的弱点，在在光缆生产中中较少采用。聚乙烯光缆护套套材料的要求求

加加工性：聚乙乙烯应具有优优秀的流变性性能。适于不不同的缆径，能能达到一定的的挤出速度。挤挤出后有良好好的表面，不不会因为材料料不稳定的流流变性而产生生差的表面效效果，如皱纹纹，竹节，起起泡等。为了了适应大规模模生产，作为为光缆的护套套材料的批量量间性能的稳稳定性也是至至关重要的。因因为批量之间间的不稳定性性而频繁调整整挤出工艺势势必会影响光光缆的最终性性能。这里我我们对比了分分别采用聚合合法和共混法法生产的两种种不同牌号的的MDPE的熔熔体指数的批批量分布，可可以明显地看看出：这两种种护套料的批批量稳定性水水平有很大的的差异，A材料在光缆缆的生产制造造过程中挤出出参数可保持持稳定，至少少从加工工艺艺这方面，光光缆护套的最最终质量可得得以保证。而而B材料的熔体体指数波动很很大，在挤出出光缆护套时时，需不断调调整工艺参数数，这样有可可能影响到光光缆的最终质质量的稳定。

图3，两种MDDPE的批量量熔体指数统统计(A为聚合法，BB为共混法)

回回缩：低收缩缩是光缆护套套材料的重要要参数之一，未未受控制的回回缩将使光缆缆发生变形，对对光纤造成微微弯或宏弯损损耗。开发低低回缩的光缆缆护套料也是是材料供应商商致力发展的的方向。就材材料本身而言言，影响回缩缩的因素有分分子量，分子子量分布，支支链长度，支支链密度等。另另外加工过程程的热历史也也会影响成缆缆后护套的最最终收缩。

机械性能：：对于光缆护护套来说，机机械性能方面面需要考虑的的有屈服强度度，抗拉强度度，断裂伸长长率，耐磨性性等。高质量量的光缆护套套料，其抗拉拉强度和断裂裂伸长率均远远远高于国内内标准要求的的12MPaa和350％(MDPPE)。最为为重要的的机机械性能是批批量稳定性和和老化前后的的变化率，以以下我们对比比了光缆护套套料A和B的老化前后后的机械性能能，虽然都可可以满足要求求，但差异是是明显的。表1

MDPE护套料料AMDPE护套料料B抗拉强度(MMPa)断裂伸长率(%%)抗拉强度(MMPa)断裂伸长率(%%)老化前22.061522.2797老化后21.261519.5634老化前后变化率率4%0%12%20%

耐侯性，耐耐环境性和老老化性：护套套材料直接与与外界环境相相接触，为了了保证长期的的的使用寿命命，必需考虑虑气候和环境境的影响。聚聚乙烯的老化化和失效可能能来自以下几几个方面：

热氧老化：热热氧老化用两两方面的指标标来评估，机机械性能的老老化前后变化化率前面已有有论述，另一一点是氧化诱诱导期OITT，OIT与材料料中抗氧剂的的含量，类型型和分散性密密切相关。

紫外线：在聚聚乙烯护套料料中，通常是是采用添加碳碳黑来吸收紫紫外线。其阻阻挡紫外线的的效果与碳黑黑的含量，适适当的颗粒大大小和类型，及及其分散程度度有关。其测测量方式为碳碳黑吸收系数数：测试方法法是将含有碳碳黑的聚乙烯烯熔融后压制制成约10μm厚的薄膜，用用紫外分光光光度计测定波波长375nnm处紫外光光的吸光度，通通过计算即可可得出碳黑吸吸收系数值。一一般技术要求求该值要大于于400。在聚聚乙烯护套料料的生产过程程中，如果混混合的工艺不不过关，碳黑黑吸收系数是是不容易达到到要求或是不不稳定的。我我们曾经检测测到某些护套套料样品的碳碳黑吸收系数数低于3000。对这样的的材料在光缆缆敷设后就可可能在抗紫外外线老化方面面存在隐患，特特别是应用于于架空光缆时时。环境应力开裂：：聚乙烯塑料料在含有皂类类、保湿剂、油油或洗涤剂的的环境中受到到应力时，就就会表现处机机械性能失效效而表面发生生开裂。耐环环境应力开裂裂的测试方法法是将聚乙烯烯护套料制成成1.75--2.0mmm厚的试片，在在其表面刻出出0.3-00.4mm深深的刻痕，将将试片弯曲于于试样架中；；然后浸泡于于50±0..5°C的10%Igepaal（表面面活性剂）水水溶液中保持持一定的时间间，观测出现现第一个裂纹纹的时间。通通常的标准要要求为大于996小时。而而现有材料厂厂商提供的指指标有96hh,5000h,和1000hh。不同牌号号的产品之间间，在耐环境境应力开裂的的水平上还是是存在着很大大的差别。我们可以看出，作作为光缆最终终的保护层，光光缆护套料的的要求是多方方面的而且是是非常严格的的。既要适应应许多不同的的复杂的气候候环境，又要要保证长期（至至少25年）的稳稳定。可以这这样说，线缆缆的护套材料料是聚乙烯众众多的应用领领域中可靠性性要求最高的的地方之一。然然而类似于BB样品这样的的材料，在目目前国内的光光缆行业中不不乏使用者，需需要引起光缆缆用户的重视视油膏

油膏膏按其在光缆缆结构中的位位置分为纤膏膏和缆膏。纤纤膏在松套管管内，直接与与光纤接触，缆缆膏则在套管管外。油膏在在通常状态下下是半固体，在在剪切力作用用下流动性增增强(触变性)。油膏的性性能主要从以以下几个方面面来考虑：

相容性性：相容性是是考察油膏长长期与光缆中中的其它物质质相接触时，是是否对其它材材料产生溶胀胀而降低性能能，是否对其其它材料造成成腐蚀。虽然然相容性与被被考察的两种种材料的化学学结构和化学学成份都有关关，但由于油油膏的成份相相对光缆中的的其它材料而而言更复杂；；而且有一定定的流动性，可可与其它材料料充分接触，所所以在考虑光光缆中材料的的相容性时，油油膏是相当关关键的。表22为光缆材料料的相容性关关系。表2

光纤涂层及着色色层或带纤树树脂套管材料金属包带护套纤膏√√

缆膏

√√√

相容性试验验时将其它材材料浸在油膏膏中，在高温温下保持一段段时间，经过过加速老化，然然后测试材料料的溶胀程度度和其它性能能的变化，如如机械性能等等。

保证证油膏与其它它材料的相容容性，除了大大量的试验外外，保证油膏膏的配方合理理和配料稳定定以及生产过过程的严格控控制是很关键键的。因为纤纤膏与光纤直直接接触，为为避免对光纤纤造成不可预预期的影响，纤纤膏一般都使使用合成油作作为基质。

触变变性：触变性性是油膏最基基本的物理特特性，当施加加外力时，油油膏在剪切力力的作用下，粘粘度下降，呈呈流动性，但但外力去除后后，经过一段段时间，粘度度增加，又恢恢复到不流动动的状态。触触变性对于油油膏的重要性性在于：光缆缆生产过程中中，油膏在剪剪切力作用下下，应具有足足够的流动性性，以便于充充满光缆内的的缝隙；成缆缆后，油膏应应保持相当稳稳定，温度升升高时不滴流流，低温时不不变硬变脆，使使光纤受力。

其它性能：

滴点：一定定的滴点主要要保证光缆的的滴流性能。通通常光缆要求求70℃下不滴流，而而多数油膏的的滴点在1550℃以上。

锥入度：常常温下，锥入入度应该是考考核油膏批量量一致性的参参数。而低温温锥入度应足足够大以保证证在低温下油油膏不会对光光纤产生负面面的作用力。

析油和挥发发量：油膏成成份稳定性的的指标。油膏膏是一种混合合体，在光缆缆使用和运行行过程中液体体组分不应分分离出来。所所以油膏除了了需要良好的的胶体配方外外，还应注意意控制低分子子量油类成份份的含量。

闪点：安全全性指标，低低的闪点意味味着易燃。

粘度：单一一条件下的粘粘度只是个批批量一致性指指标。对于光光缆用的油膏膏来说，不同同温度下的粘粘度---剪切力力曲线是很重重要的，它可可以从另一面面反映油膏的的触变性能。粘粘度曲线的稳稳定也有利于于光缆制造过过程的工艺控控制。

氧化诱导期期：抗老化性性方面的指标标。

吸水时间：：吸水型缆膏膏吸水速度的的指标。

酸值：油膏膏含酸性物质质的量化指标标。

关于析氢氢损是造成光纤纤衰减增加的的一个危险因因素。特别是是光纤油膏直直接与光纤接接触，所以人人们对油膏的的析氢非常重重视。其实在在正常情况下下，在所有的的光缆材料中中，油膏产氢氢的可能性和和量相对来说说都是相当小小的，我们知知道，油膏的的主要成份是是基础油和二二氧化硅,他们都是比比较惰性的材材料。要从正正常的油膏产产品中产生氢氢分子是不太太容易的。如如果油膏生产产过程中原材材料和工艺控控制不严格，引引入了成分不不明的化学物物质，会增加加产氢的可能能性。由于种种原因，一一段时间以来来，一提到氢氢损就联想到到油膏。然而而这样会使我我们忽略一些些真正危险的的产氢物质。基基本的化学知知识告诉我们们，最简单的的产生氢气的的方法有两种种：一是比较较活性的金属属与酸反应（公公式4），二是两两种有电位差差的金属在酸酸性环境中，哪哪怕是弱酸性性的环境中的的电化学反应应，如图4。所以对于于氢损，我们们更应该对光光缆中的金属属，以及光缆缆结构可能产产生酸性环境境的因素加以以注意。(4)

图4所以油膏在其原原材料成份清清楚并严格控控制的前提下下，其产氢的的量和可能性性将远远小于于光缆中的金金属元件的作作用。值得注注意的是，油油膏如果酸值值过大的话，将将使金属元件件产生氢气的的可能性增加加。金属复合带金属复合带在光光缆原材料成成本中占较大大的比重。光光缆中的金属属复合带分为为钢塑复合带带和铝塑复合合带。金属复复合带由中间间的金属带基基和两面的聚聚合物薄膜((通常为EAAA)组成。金金属复合带的的性能要求主主要有以下几几个方面：机械性能：金属属复合带需要要一定的强度度和延伸率，金金属复合带的的强度主要是是由金属带基基提供，而延延伸率也是考考核的金属带带基的延伸率率。粘接性能：这有有三个方面的的含义：一是是金属复合带带可以与聚乙乙烯护套粘合合，二是金属属带在纵包时时搭接处需要要自粘，三是是聚合物薄膜膜与金属带基基的粘合强度度。金属复合合带的粘接性性能主要与聚聚合物薄膜所所用材料的性性能有关。相容性和抗腐蚀蚀性：由于光光缆中有油膏膏存在，金属属复合带会长长期与油膏接接触，这就需需要考虑与油油膏的相容性性。而相容性性所观察的对对象是看在油油膏中金属带带基与聚合物物薄膜是否会会起泡或分层层。抗腐蚀性性是指复合带带在酸性或碱碱性环境中会会不会分层或或对金属带基基造成腐蚀。

金属复合带的的各项性能与与其原材料的的选用密切相相关。比如复复合钢带的带带基，通常用用镀铬钢带，镀镀铬层的特点点是1，在潮湿大大气中很稳定定。2，在一般酸酸性环境中很很稳定。这是是因为金属铬铬本身在大气气中极易氧化化成一层极薄薄的钝化层。试试验和长期的的使用证明，镀镀铬钢带用在在光缆复合带带中的相当稳稳定可靠的。

也有光缆厂家家采用成本相相对较低的镀镀锡钢带为带带基的复合钢钢带。钢基镀镀锡板在干燥燥洁净的大气气中具有良好好耐蚀性，但但镀锡层表面面的孔隙是不不可避免的，因因此在潮湿大大气和表面凝凝露或浸水条条件下，易形形成微电池发发生腐蚀，尤尤其是在酸性性或有微量盐盐份存在的环环境中，腐蚀蚀速度相当快快。所以镀锡锡钢带往往不不能通过光缆缆用金属复合合带标准所规规定的耐腐蚀蚀性试验。而而且由于Fee和Sn之间的电电位差，腐蚀蚀过程中微电电池的形成，也也极大增加了了氢气生成的的风险。

我们们用同一厂家家生产的分别别采用镀铬钢钢带和镀锡钢钢带为带基的的复合带，按按照YD/TT723..1-94标标准检测其抗抗腐蚀等级。将将镀铬钢带AA和镀锡钢带带B浸泡于0.11mol/LL盐酸中20天，结果果镀铬钢带AA仅边缘有少少量腐蚀，而而镀锡钢带BB锈蚀严重，薄薄膜完全脱落落。表3抗腐蚀等级要求结果镀铬钢带A≥78镀锡钢带B≥70

在目前前国内市场的的成本压力下下，如样品BB这类的复合合钢带在为数数不少的光缆缆厂中还在采采用，甚至包包括一些大的的光缆厂家。对对光缆品质有有着严格要求求的用户，需需要最基本的的原材料性能能以控制，以以确保光缆在在漫长的使用用期内的正常常运行。

同种材材质的带基，不不同的品牌之之间也有很大大的质量差异异。除了机械械性能的差异异之外，通常常质量较差的的金属带会表表现在均匀性性差，缺陷较较多，在生产产制造过程中中易断裂。

聚合物薄膜也也有不同的成成份，如EAAA膜、PE膜及PE/EEAA复合膜膜等，当然也也存在着质量量差异。套管管材料

套管是光缆制制造过程中对对光纤的第一一道机械保护护层。按照光光缆的设计原原则，成缆后后光纤在运行行时尽量少受受应力，这就就需要选用适适当的套管材材料并加以合合理的工艺控控制，以对光光纤加以足够够的机械保护护，并形成合合理的光纤余余长。目前通通用光缆所采采用的套管材材料有PBTT、PP单层，PP//PC双层。与与光缆中的其其它聚合物材材料一样，热热氧老化是可可靠性方面首首先考虑的因因素之一，这这也是通过OOIT和老化化前后机械性性能变化来控控制。所不同同的是，套管管两面都与油油膏接触，所所以在对套管管材料进行老老化性能试验验时还需要引引入油膏的因因素。另外，光光缆接续时套套管要在接头头盒内作盘留留，这时套管管长期外于弯弯曲状态，受受到弯曲应力力。套管在应应力状况下的的老化也有相相应的试验方方法：将套管管弯曲成一定定的半径的圈圈，再进行加加热老化，观观察老化后套套管是否会出出现开裂。

PBT由于在在聚合物材料料中有较高的的弯曲模量和和优秀的机械械强度，在工工程塑料中相相对容易的挤挤出加工性，在在早期就被选选作光缆套管管材料。但在在初期，PBBT有两个不不易克服的缺缺点：水解和和回缩。水解：PBT合合成过程会在在分子链的端端头留下羧端端基--CCOOH，假假如未加保护护的PBT松套管管暴露在湿热热环境下，存存在的水分会会对PBT其水解解作用，结果果导致分子量量下降，随着着分子量下降降至一定程度度，水解后的的PBT树脂主主要出现脆化化、丧失韧性性、以及易于于开裂等。见见下图5:

图5回缩：PBT是是高结晶性的的聚合物，加加工后的二次次结晶会造成成套管回缩，余余长难于控制制。套管的回回缩会持续到到光缆敷设后后。特别是在在温差较大的的地区，架空空敷设的光缆缆在反复的温温度变化过程程中充分结晶晶，其极大的的后收缩曾引引起光缆变形形，衰耗上升升，甚至断纤纤，给通信造造成潜在的危危害。所以PBT的生生产厂商一直直在致力于光光缆套管用PPBT的改性性。抗水解性性和回缩性得得到了很大的的改善。因为为PBT的改性性需要先进的的合成工艺，在在国内市场上上有多种不同同的光缆套管管用PBT，这些些材料的质量量是存在较大大差异的。另外，光缆的结结构和制造工工艺也对套管管回缩的控制制起着至关重重要的作用。

PP/PC双双层套管则从从根本上解决决了水解和回回缩的问题。首首先这两种材材料都没有产产生水解的基基团。其次PPC是完全非非结晶的材料料，没有回缩缩产生。

单层的PP主主要用于较大大尺寸的套管管，如光纤带带光缆，这需需要填充与PPP相容的专专用油膏。

加强芯

加强芯芯是光缆中的的主要受力元元件，它决定定了光缆的拉拉伸性能。加加强芯应具有有高的杨氏模模量，较小的的密度，在国国内光缆行业业中，加强芯芯通常采用高高模量钢丝，玻玻纤增强塑料料GRP也越来来越多地得到到应用。钢丝丝和GRP的物理理性能比较见见下表：表4

钢丝GRP杨氏模量（GPPa）180-200045-55抗张强度((MPa)1500-200001000-15500密度(g/ccm3)7.82.0

GRRP重量轻，不不导电，在国国内主要用于于全介质光缆缆的生产。采采用GRP为加强强芯的光缆的的成本要高于于钢丝加强芯芯光缆，这是是因为一方面面GRP价格更更高，另一方方面它的模量量低，为了满满足同样的光光缆机械性能能设计要求，采采用的GRPP的直径要比比钢丝粗，或或需辅以芳纶纶纱。但在欧欧美，由于全全介质结构的的光缆重量轻轻，耐腐蚀，除除了可防强电电，防雷的优优点，还便于于敷设安装，其其使用的比例例要高于国内内。

为了满足光缆缆的可靠性，钢钢丝的性能要要考虑以下几几个方面：机械性能：钢丝丝应有足够高高的模量，因因为光缆的拉拉伸特性是根根据钢丝的模模量和直径来来计算的。一定力值F下的的光缆应变(55)E是钢丝模量，A是钢丝截面积。实际上，光缆用的加强芯钢丝模量一般在180-200GPa之间，相对变化不大。有时候，不同的用户对光缆承受张力的要求不一样。例如，对于管道敷设的光缆，标准要求在短期张力为1500N。有的用户要求为3000N，满足这两种要求的光缆所用的钢丝的截面积是不一样的，后者应是前者的一倍。

耐腐蚀性：对对于钢丝的防防腐蚀，有三三种方式：镀镀锌、磷化和和用不锈钢丝丝。显然不锈锈钢丝的效果果最好，但价价格昂贵。镀镀锌就是在钢钢丝表面镀一一层金属锌，磷磷化就是对钢钢丝进行磷化化处理，在表表面形成一层层磷酸盐保护护层。镀锌钢钢丝已较少采采用。主要原原因在于其产产氢的潜在危危险：金属锌锌和金属铁之之间有明显的的电位差，有有潮汽的条件件下可以在钢钢丝表面形成成微电池，电电离出氢气。在在酸性条件下下产氢的速度度将大大加快快。而磷化层层则没有这种种可能。磷化化钢丝的抗腐腐蚀性能与磷磷化层配方，磷磷化工艺，磷磷化层的厚度度和均匀性有有关。钢丝生生产者对这些些参数都应有有严格的控制制和测试。另另外，钢丝最最终的抗腐蚀蚀性也应经过过测试。

缺陷：如果钢钢丝的制造过过程没有得到到严格的控制制，钢丝的局局部有缺陷，这这样就形成局局部的薄弱点点，可能在缺缺陷处断裂。材料供应者的质质量保证体系系好的原材料品质质，是生产出出高质量的光