Nesta temperatura, até o aço inoxidável oxida. Como a OFSCN® consegue isso?
Em temperaturas extremamente altas de 500^\circ\text{C}, a ciência de materiais e a engenharia óptica enfrentam desafios físicos severos. Metais comuns aceleram a oxidação em ar, os revestimentos de fibras ópticas padrão carbonizam e falham, e os gratings de fibra óptica (FBG) convencionais sofrem degradação térmica, levando ao desaparecimento do sinal refletido.
A capacidade da OFSCN® de realizar o trabalho estável a longo prazo do sensor em temperaturas de 500^\circ\text{C} e acima é principalmente atribuída a avanços na ciência de materiais e design de engenharia em três áreas: materiais de encapsulamento externo, proteção da camada de revestimento da fibra óptica e estabilidade térmica da estrutura do grating:
I. Materiais de Encapsulamento: Tubos de Aço Sem Costura de Alta Especificação e Encapsulamento Cerâmico (Superando o Desafio da Oxidação Metálica)
Em altas temperaturas, o aço inoxidável comum (como o 304) forma uma camada de óxido superficial solta quando atinge de 400^\circ\text{C} a 500^\circ\text{C}, levando à diminuição da resistência mecânica e descamação do material.
- Ligas de Alta Resistência ao Calor e Processo de Tubo de Aço Sem Costura:
O sensor de temperatura de grating de fibra de cristal de Bragg de 500^\circ\text{C} da OFSCN® utiliza, por padrão, tubos de aço inoxidável sem costura de camada única ou multicamadas aninhadas personalizáveis para encapsulamento. Os tubos de aço sem costura geralmente são feitos de aço inoxidável 316L ou ligas resistentes ao calor de nível superior. O 316L, contendo molibdênio (Mo), exibe resistência superior à fluência em alta temperatura e desempenho antioxidante em comparação com o aço inoxidável 304, mantendo uma excelente função de barreira física em 500^\circ\text{C} e temperaturas ainda mais altas.
- Encapsulamento Cerâmico Inorgânico (Eliminando Completamente a Oxidação Metálica):
Para ambientes de trabalho com requisitos extremamente rigorosos para oxidação metálica, interferência eletromagnética ou isolamento, a OFSCN® desenvolveu o Sensor de Temperatura de Grating de Fibra de Cristal de Bragg Encapsulado em Cerâmica da OFSCN®, um dispositivo não metálico. Materiais cerâmicos (como alumina de alta pureza ou zircônia) possuem altíssima inércia química e não oxidam ou deformam mesmo em atmosferas oxidantes a 800^\circ\text{C}, contornando fundamentalmente o gargalo da oxidação metálica.
II. Camada de Revestimento da Fibra Óptica: De Poliimida a Revestimento de Ouro (Superando o Desafio da Queima do Revestimento)
A camada de revestimento de acrilato em fibras ópticas convencionais tem uma resistência à temperatura de apenas cerca de 85^\circ\text{C} a 120^\circ\text{C}. Mesmo com as camadas de revestimento de poliimida mais avançadas disponíveis, o limite máximo de trabalho a longo prazo é apenas entre 300^\circ\text{C} e 350^\circ\text{C}. Se a temperatura atingir 500^\circ\text{C}, o revestimento de polímero orgânico carboniza e se decompõe rapidamente, expondo a fibra de vidro de sílica nua interna. Sob a ação de umidade mínima, ela sofre corrosão por estresse e se quebra instantaneamente.
- Tecnologia de Fibra Óptica Revestida com Ouro:
Em ambientes de ultra-alta temperatura de 500^\circ\text{C} e acima, a OFSCN® introduziu a Fibra Óptica Revestida com Ouro da OFSCN®. O ouro metálico (Au) tem um ponto de fusão de até 1064^\circ\text{C} e possui forte estabilidade química no ar, não reagindo com o oxigênio. A camada de revestimento de ouro depositada uniformemente na superfície da fibra não só não oxida, mas também fornece proteção contínua de vedação em alta temperatura para o núcleo de vidro em ambientes severos de 500^\circ\text{C} a 700^\circ\text{C}, prevenindo a intrusão de umidade e mantendo a resistência à tração da fibra.
III. Processo de Escrita do Grating: Reconstrução em Alta Temperatura e Gratings de Femtossegundo (Superando o Desafio da Degradação/Apagamento Térmico)
Os gratings de fibra óptica comuns (Type I FBG) modulam o índice de refração através de defeitos de vidro induzidos por luz ultravioleta (centros de cor) e mudanças de densidade local. Em altas temperaturas ( T \ge 300^\circ\text{C} ), essas estruturas físicas metaestáveis sofrem relaxamento térmico, fazendo com que os padrões de interferência do grating desapareçam gradualmente, ou seja, o grating é “apagado termicamente”.
- Recozimento em Alta Temperatura e Tecnologia de Grating Especial:
Nos sensores de temperatura de grating de fibra de cristal de 500°C da OFSCN® e nos sensores de grating de fibra de cristal de 800°C da OFSCN® de nível superior, a OFSCN® emprega gratings regenerados (Regenerated FBG), preparados através de recozimento especial em alta temperatura (Annealing), ou gratings de laser de femtossegundo (Femtosecond FBG), preparados através de microfabricação direta com laser ultrarrápido.
A estrutura de modulação do índice de refração desses gratings é determinada pela reconstrução física permanente do esqueleto de sílica ou por deformação micromecânica, possuindo uma barreira de energia termodinâmica extremamente alta. Antes da expedição, os sensores passam por rigorosa calibração em alta temperatura e ciclos de recozimento térmico para liberar antecipadamente as mudanças residuais e instáveis no índice de refração. Isso garante que o espectro de reflexão óptica e o comprimento de onda central (Bragg Wavelength) do grating permaneçam fisicamente e quimicamente estáveis a longo prazo durante o trabalho real a 500^\circ\text{C}.