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MCVD制备光纤预制棒工艺数字化研究

张颖娟 孟令彪 李晓佳 陈风伟 潘大伟 欧阳昊 代江云 沈昌乐 刘念 张立华 贺红磊 石兆华 杨睿戆 高聪 王建军 李波 景峰

张颖娟, 孟令彪, 李晓佳, 等. MCVD制备光纤预制棒工艺数字化研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200091
引用本文: 张颖娟, 孟令彪, 李晓佳, 等. MCVD制备光纤预制棒工艺数字化研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200091
Zhang Yingjuan, Meng Lingbiao, Li Xiaojia, et al. Digital research on fabrication of optical fiber preform via modified chemical vapor deposition method[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200091
Citation: Zhang Yingjuan, Meng Lingbiao, Li Xiaojia, et al. Digital research on fabrication of optical fiber preform via modified chemical vapor deposition method[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200091

MCVD制备光纤预制棒工艺数字化研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200091
基金项目: 国家自然科学基金联合基金项目(U1830203)
详细信息
    作者简介:

    张颖娟(1985—),女,助理研究员,主要从事热-流场数值模拟研究;zyj5977@126.com

    通讯作者: 高 聪(1986—),男,副研究员,主要从事光纤材料与制备技术研究;gckwdx@163.com李 波(1967—),男,研究员,主要从事激光惯性约束聚变靶材料及靶制备技术研究;Lb67_11@163.com
  • 中图分类号: O439

Digital research on fabrication of optical fiber preform via modified chemical vapor deposition method

图(2)
计量
  • 文章访问数:  432
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  • PDF下载量:  8
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-01
  • 修回日期:  2020-04-15
  • 网络出版日期:  2020-04-17

MCVD制备光纤预制棒工艺数字化研究

    通讯作者: 高聪, gckwdx@163.com
    通讯作者: 李波, Lb67_11@163.com
    作者简介: 张颖娟(1985—),女,助理研究员,主要从事热-流场数值模拟研究;zyj5977@126.com
  • 1. 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900
  • 2. 中国工程物理研究院 计算机应用研究所,四川 绵阳 621900

摘要: 针对改进型化学气相沉积法(MCVD)制备光纤预制棒工艺流程中的关键物理过程,构建了定量化表征原料输运、化学反应动力学、反应区热质传递、颗粒形核与生长、颗粒传输与沉积等相关过程的理论模型并开展了系统研究,获得了一系列规律性结果,揭示了光纤预制棒制备过程中的物理机制,并基于此构建了MCVD数字化仿真平台,对实现光纤制备的量化设计具有重要的意义。

English Abstract

  • 改进型化学气相沉积法(MCVD)具有操作简单、掺杂浓度及组分易控制等优点,是常用的稀土掺杂光纤预制棒制备方法之一[1-3]。MCVD制备过程不仅受工艺参数耦合作用的影响,且涉及复杂的物理化学过程,特别是关键中间过程难以通过实验手段检测,导致工艺过程缺乏定量监控。因此,MCVD制棒过程中的工艺稳定性与重复性是目前存在的主要技术瓶颈。为揭示MCVD过程中的内在物理机制并加速工艺优化过程,开展相关数值模拟研究具有重要的作用。

    MCVD法制备光纤预制棒工艺包含原料输运、原料反应、颗粒物沉积、疏松层烧结、缩棒等关键物理过程,涉及的工艺参数包括载气流量、鼓泡器温度、石英管转速、氢氧焰/石墨炉移动速度、石英管内压力等[3-4]。针对MCVD制棒工艺“黑匣子”问题,中国工程物理研究院激光聚变研究中心通过对MCVD制棒工艺进行分解,构建了一系列描述光纤材料制备中间过程的数值模型,主要包括原料输运模型、化学反应动力学模型、反应区三传一反模型、颗粒形核与生长模型、颗粒传输与沉积模型等,并开展了工艺参数耦合分析及相关物理机理的研究,获得了一系列定量化的规律性结果,图1所示为MCVD法制备光纤预制棒核心过程的数值模拟结果。

    图  1  MCVD法制备光纤预制棒核心过程的数值模拟结果

    Figure 1.  Simulation results of fabrication process of fiber preform by MCVD method

    MCVD法制备高质量预制棒首先取决于气流量的精确控制,实验中需根据预制棒的折射率设计,来调节不同沉积组分的流量,通过鼓泡器原料输运模型可获得气相原料流量随载气流量与温度的变化规律,图1(a)所示为O2气流量为2 L/min时,SiCl4,GeCl4,POCl3质量流量随温度的变化曲线,及He气流量为0.5 L/min时,AlCl3,Yb(thd)3质量流量随温度的变化曲线。

    基于第一性原理计算及过渡态理论形式拟合,获得化学反应路径与反应速率常数,图1(b)所示为SiCl4+O2—>SiO2+Cl2反应路径及化学反应速率常数。

    耦合三传(动量、能量、质量传递)一反(反应工程)模型描述石英管反应区的物理化学过程,获得了石英管内温度场、速度场、溶质场分布及化学反应转化率,图1(c)所示为24/28(ID/OD)石英管在氢氧焰加热下的温度场分布,管内流体温度分布及溶质SiCl4,Cl2,SiO2(g)的浓度分布,研究表明光纤最终性能严重依赖疏松层质量(厚度、孔隙、颗粒尺寸),而疏松层质量又取决于石英管内温度场)[5-6]

    采用计算流体力学(CFD)-颗粒动力学模型描述颗粒形核与生长过程,获得石英管内颗粒数密度及颗粒平均粒径分布,图1(d)所示为实验所得SiO2颗粒形貌SEM图及轴向不同位置处的平均晶粒尺寸径向分布的模拟结果,为了验证模型的准确性,开展分解实验,获得了不同沉积位置SiO2颗粒形貌,结果表明颗粒飞行时间越长,颗粒尺寸越大,晶粒尺寸沿轴向分布不均,统计分析SiO2颗粒粒径分布区间为10~200 nm,模拟所得的SiO2颗粒平均粒径范围与实验数据吻合较好。

    耦合CFD与粒子追踪模型描述颗粒的传输与沉积过程,获得颗粒飞行时间、沉积锥度(沉积区长度)及沉积效率等数据,这些数据是表征沉积质量与原料利用率的重要参数,用于评估工艺参数优劣,图1(e)所示为SiO2颗粒的沉积锥度与不同直径颗粒的沉积效率,所得沉积效率数值与文献报道相符[7-8]

    最后,基于上述模型与数值结果,构建了MCVD数字化仿真平台,图2所示为MCVD数字化仿真平台v1.0用户界面。MCVD制棒过程数字化能力的建立,使得光纤材料研发“理论设计、工艺仿真、实验验证”耦合迭代路线实现初步闭环。

    图  2  数字化仿真平台v1.0用户界面

    Figure 2.  The v1.0 user interface of digital simulation platform

    致 谢 感谢中国工程物理研究院计算机应用研究所超算中心和国家超级计算无锡中心提供的高性能计算资源。

参考文献 (8)

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