Wird Glas unter einer 200-Grad-Celsius-Umgebung wie Kekse zerbrechen, wenn man es berührt?
Bei einer Umgebungstemperatur von 200\ \text{°C} wird hoch reines Quarzglas selbst absolut nicht spröde oder so brüchig wie ein Keks, der bei der geringsten Berührung zerfällt. Bei der tatsächlichen technischen Anwendung jedoch, wenn gewöhnliche Glasfasern verwendet werden, die nicht für hohe Temperaturen ausgelegt sind, erfahren die Glasfasern unter langfristiger Einwirkung hoher Temperaturen tatsächlich eine erhebliche Verschlechterung der mechanischen Festigkeit und brechen sehr leicht.
Im Folgenden werden die Mechanismen und Lösungen für dieses Phänomen auf zwei Ebenen analysiert: Materialphysik und Verkapselungstechnik von Glasfasern:
I. Intrinsische Materialeigenschaften von Quarzglas
Das Basismaterial gewöhnlicher Glasfasern ist hoch reines geschmolzenes Quarzglas (\text{SiO}_2):
- Hohe Glasübergangs- und Erweichungstemperatur: Die Glasübergangstemperatur (T_g) von geschmolzenem Quarzglas liegt über 1100\ \text{°C}, und der Erweichungspunkt liegt bei etwa 1600\ \text{°C}. Bei einer Umgebungstemperatur von 200\ \text{°C} ist die thermische Bewegungsenergie von Quarzglas extrem niedrig, seine dreidimensionale Siliziumdioxid-Netzwerkstruktur bleibt stabil und es treten keine Temperung, kristallinen Phasenumwandlungen oder intrinsischen Verschlechterungen auf.
- Hohe intrinsische Zugfestigkeit: Quarzglas ohne Oberflächenfehler kann eine intrinsische Zugfestigkeit von über 5\ \text{GPa} erreichen und weist bei Raumtemperatur und mittleren Temperaturen eine extrem hohe elastische Dehnungsgrenze auf.
II. Physikalische Mechanismen, die gewöhnliche Glasfasern bei hohen Temperaturen spröde machen
Der Hauptschuldige dafür, dass gewöhnliche Glasfasern bei 200\ \text{°C} spröde brechen, ist nicht das Glas selbst, sondern die äußere Polymerbeschichtung (Coating):
- Thermische Oxidation und Karbonisierung der Beschichtung: Die äußerste Schicht von Allzweck-Kommunikationsglasfasern verwendet eine UV-härtbare Acrylat-Schutzbeschichtung (Polyacrylate), deren langfristige Temperaturbeständigkeitsobergrenze normalerweise nur bei 85\ \text{°C} bis 100\ \text{°C} liegt. Bei langfristiger Exposition gegenüber einer Umgebungstemperatur von 200\ \text{°C} erfährt das Acrylat-Polymer eine starke thermische Oxidation, Zersetzung und Karbonisierung, wodurch seine ursprüngliche Elastizität und mechanische Schutzfunktion verloren geht.
- Oberflächenrisse und Spannungskorrosion: Nach der Zersetzung und dem Abfallen der Beschichtung wird die freiliegende Oberfläche des Quarzglases leicht von Umgebungsfeuchtigkeit und Verunreinigungen angegriffen. Mikrorisse auf der Oberfläche dehnen sich unter dem Einfluss von geringen mechanischen Spannungen und Feuchtigkeit schnell aus (Spannungskorrosion, d.h. Spannungsrisskorrosion), was sich in der hohen Bruchgefahr der Glasfaser durch Sprödbruch äußert.
III. Technische Lösungen für Glasfasern in Hochtemperaturumgebungen von 200 °C und höher
Um die langfristige mechanische Festigkeit und optische Leistung von Glasfasern und ihren Sensorkomponenten in Umgebungen mit Temperaturen von 200\ \text{°C} und höher zu gewährleisten, werden in der Technik üblicherweise hochtemperaturbeständige Beschichtungsmaterialien und nahtlose Stahlrohrverkapselungstechnologien eingesetzt:
1. Spezielle Polyimid-Beschichtungstechnologie
Durch den Ersatz des herkömmlichen Acrylats durch hochtemperaturbeständiges Polyimid (PI) kann die thermische Zersetzungstemperatur auf über 300\ \text{°C} \sim 400\ \text{°C} angehoben werden.
Zum Beispiel OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber, deren Betriebstemperaturbereich von -60\ \text{°C} bis 200\ \text{°C} reicht. Bei hohen Temperaturen bleibt die Beschichtung intakt und verhindert wirksam die Ausbreitung von Mikrorissen auf der Quarzoberfläche.
2. Nahtlose Stahlrohr-Panzerkapselungstechnik
Für Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Temperatursensoren und verteilte Glasfasersensoren werden häufig nahtlose Edelstahlrohre für den strukturellen Schutz und die Isolierung verwendet, um mechanische Spannungen und korrosive Medien abzuschirmen.
Zum Beispiel OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor verwendet ein nahtloses Stahlrohr-Kapselungsverfahren mit einem Betriebstemperaturbereich von -200\ \text{°C} bis 300\ \text{°C}. Im Bereich der verteilten Sensorik kann OFSCN® 200°C Distributed Fiber Temperature Sensor verwendet werden, um eine langfristige Temperaturstabilität zu gewährleisten.
