При такой температуре окисляется даже нержавеющая сталь, как это делает OFSCN®?
При экстремально высоких температурах до 500^\circ\text{C} материаловедение и оптоинженерия сталкиваются с серьезными физическими проблемами. Обычные металлы ускоренно окисляются на воздухе, стандартные покрытия оптоволокна обугливаются и выходят из строя, а обычные волоконно-оптические решетки (FBG) подвергаются термической деградации, что приводит к исчезновению отраженного сигнала.
Долгосрочная стабильная работа датчиков при температуре 500^\circ\text{C} и выше OFSCN® достигается в основном за счет прорывов в материаловедении и инженерных решений в трех областях: материалы корпуса, защита покрытия оптоволокна и термостойкость структуры решетки:
I. Материалы корпуса: высококачественные бесшовные стальные трубы и керамическая инкапсуляция (преодоление проблемы окисления металлов)
При высоких температурах обычная нержавеющая сталь (например, нержавеющая сталь 304) при достижении температур от 400^\circ\text{C} до 500^\circ\text{C} образует на поверхности рыхлую окалину, что приводит к снижению механической прочности и отслаиванию материала.
- Высококачественные жаропрочные сплавы и технология бесшовных стальных труб:
OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor по умолчанию используют однослойные или многослойные бесшовные стальные трубы из нержавеющей стали для инкапсуляции. В качестве материала бесшовных стальных труб обычно выбирают нержавеющую сталь 316L или более высокосортные жаропрочные сплавы. Нержавеющая сталь 316L, содержащая молибден (Mo), имеет значительно лучшую жаропрочность и устойчивость к окислению при высоких температурах по сравнению с нержавеющей сталью 304 и может обеспечивать превосходную физическую барьерную функцию при 500^\circ\text{C} и даже выше.
- Неметаллическая керамическая инкапсуляция (полное исключение окисления металлов):
Если рабочая среда предъявляет чрезвычайно строгие требования к отсутствию окисления металла, электромагнитной совместимости или изоляции, OFSCN® разработал неметаллический OFSCN® Ceramic-encapsulated Fiber Bragg Grating Temperature Sensor (керамический инкапсулированный датчик температуры на основе волоконно-оптической решетки). Керамические материалы (такие как высокочистый оксид алюминия или диоксид циркония) обладают чрезвычайно высокой химической инертностью и не окисляются и не деформируются даже в окислительной атмосфере при 800^\circ\text{C}, полностью устраняя проблему окисления металлов.
II. Покрытие оптоволокна: от полиимида до золотого напыления (преодоление проблемы выгорания покрытия)
Обычное акрилатное покрытие оптоволокна имеет температурный предел около 85^\circ\text{C} до 120^\circ\text{C}. Даже самое передовое термостойкое полиимидное покрытие имеет максимальный предел длительной работы только от 300^\circ\text{C} до 350^\circ\text{C}. При достижении 500^\circ\text{C} органическое полимерное покрытие быстро обугливается и разлагается, обнажая внутреннее кварцевое стекло ( \text{SiO}_2 ) оптоволокна, которое под действием следов влаги мгновенно становится хрупким из-за коррозии под напряжением.
- Технология оптоволокна с золотым напылением:
В условиях сверхвысоких температур 500^\circ\text{C} и выше OFSCN® использует OFSCN® Gold-coated Optical Fiber (оптоволокно с золотым покрытием для высоких температур). Температура плавления чистого золота (Au) достигает 1064^\circ\text{C}, и оно обладает высокой химической стабильностью на воздухе, совершенно не вступая в реакцию с кислородом. Равномерно нанесенное на поверхность оптоволокна золотое покрытие не только не окисляется, но и обеспечивает постоянную высокотемпературную герметизирующую защиту кварцевого сердечника в суровых условиях от 500^\circ\text{C} до 700^\circ\text{C}, предотвращая проникновение влаги и поддерживая прочность оптоволокна на растяжение.
III. Технология записи решеток: высокотемпературная реконструкция и фемтосекундные решетки (преодоление проблемы термического стирания/деградации)
Обычные волоконно-оптические решетки (Type I FBG) модулируют показатель преломления за счет дефектов стекла (центров окраски) и локальных изменений плотности, вызванных ультрафиолетовым облучением. При высоких температурах ( T \ge 300^\circ\text{C} ) эти метастабильные физические структуры подвергаются термической релаксации, что приводит к постепенному исчезновению интерференционных полос решетки, то есть решетка «термически стирается».
- Высокотемпературный отжиг и специальные технологии решеток:
В OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor и более продвинутых OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor OFSCN® использует регенерированные решетки (Regenerated FBG), изготовленные путем специального высокотемпературного отжига (Annealing), или фемтосекундные решетки (Femtosecond FBG), изготовленные с использованием сверхбыстрых лазеров для прямой нанообработки.
Структура модуляции показателя преломления таких решеток определяется постоянной физической реконструкцией кварцевой матрицы или микромеханической деформацией, обладающей чрезвычайно высоким энергетическим барьером. Перед отправкой с завода датчик проходит строгую высокотемпературную калибровку и цикл термического отжига для заблаговременного высвобождения остаточных нестабильных изменений показателя преломления. Это гарантирует долговременную физическую и химическую стабильность оптического спектра отражения решетки и центральной длины волны (Bragg Wavelength) при фактической рабочей температуре 500^\circ\text{C}.