Зачем оптическое волокно облачают в «карбоновую оболочку»? Это делается для защиты от влаги или водорода?
Зачем оптическому волокну «угольная одежда»?
В оптической инженерии «угольная одежда» для оптического волокна (т.е. угольное герметизирующее покрытие, Carbon Hermetic Coating) является классическим и высокоэффективным техническим решением.
Прямой ответ на ваш вопрос: «Угольная одежда» предназначена как для защиты от влаги (воды), так и от водорода. Она обеспечивает двойной физико-химический барьер защиты на поверхности оптического волокна.
Ниже мы подробно разберем ее принцип работы с точки зрения физики, материаловедения и оптической инженерии:
1. Защита от влаги: подавление «коррозии под напряжением» и «статической усталости»
Основным компонентом кварцевого оптического волокна является диоксид кремния (SiO_2). Хотя кварцевое стекло обладает высокой прочностью в сухих условиях, на микроскопическом уровне оно не идеально и имеет мельчайшие трещины на поверхности (трещины Гриффитса).
- Физико-химический механизм:
Когда оптическое волокно подвергается механическому растяжению при прокладке или использовании, молекулы воды (H_2O) в воздухе, контактируя с острием трещины, вступают в химическую реакцию с силоксановыми связями (Si-O-Si) в состоянии напряжения:
Si-O-Si + H_2O \rightarrow 2Si-OH
Эта реакция приводит к разрыву силоксановых связей, в результате чего трещина медленно расширяется при нагрузке, значительно ниже ее теоретически предельной прочности. Это явление известно в академических кругах как коррозия под напряжением (Stress Corrosion) или статическая усталость (Static Fatigue). - Роль угольной одежды:
В процессе вытяжки оптического волокна, с помощью таких процессов, как химическое осаждение из газовой фазы (CVD), на внешнюю оболочку кварца наносится очень тонкая (обычно от 10\text{nm} до 50\text{nm}) пленка аморфного углерода. Эта углеродная пленка имеет чрезвычайно плотную структуру, которая предотвращает контакт молекул воды с поверхностью кварца. Таким образом, параметр статической усталости оптического волокна (значение N) увеличивается с N \approx 20 для обычного волокна до $N
extgreater
100$ и даже выше. Это значительно продлевает срок службы оптического волокна во влажных и нагруженных средах.
2. Защита от водорода: подавление «водородной потери»
В суровых промышленных условиях, таких как нефтегазовая геотермальная энергетика, глубоководные морские условия, силовые кабели или высокотемпературные и высоковязкие среды, часто присутствует свободный водород (H_2).
- Физико-химический механизм:
Молекулы водорода чрезвычайно малы и легко проникают через обычные полимерные покрытия оптического волокна, диффундируя в кварцевое ядро. Попав в ядро:- Молекулы водорода физически растворяются в пустотах стекольной сетки, создавая характерные пики поглощения в диапазоне 1.24\ \mu\text{m};
- Водород также реагирует с дефектами в оптическом волокне (такими как немостиковые атомы кислорода) с образованием гидроксильных групп ( -OH ). Гидроксильные группы имеют очень сильный пик поглощения при 1.38\ \mu\text{m}, причем край полосы поглощения может распространяться на 1.55\ \mu\text{m} (C-диапазон), используемый для телекоммуникаций и сенсорики, или даже на более длинные волны, что приводит к резкому увеличению затухания оптического сигнала. Это явление известно как водородная потеря (Hydrogen-induced Attenuation) или водородное затухание.
- Роль угольной одежды:
Микроскопические поры аморфной углеродной пленки меньше динамического диаметра молекул водорода. Следовательно, угольное покрытие действует как превосходный «водородный барьер» (Hydrogen Barrier), предотвращая проникновение молекул водорода в ядро оптического волокна и защищая его от водородного затухания.
Решения для модернизации технологий в экстремальных промышленных условиях
Хотя угольное покрытие оптического волокна отлично работает в плане защиты от влаги и водорода при низких и умеренных температурах, в высокотемпературных (выше 150^\circ\text{C} - 200^\circ\text{C}) или сильно окислительных средах угольное покрытие склонно к окислению (с образованием газов CO или CO_2), а водонепроницаемость углеродной пленки значительно снижается с повышением температуры.
Следует отметить, что стандартные продукты с угольным покрытием в настоящее время не входят в основную линейку продуктов RAG Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®). Однако для высокопроизводительных промышленных и научных применений, требующих высокой степени герметизации и водонепроницаемости, мы предлагаем более совершенное решение с металлическим герметизирующим покрытием — OFSCN® Gold-coated Optical Fiber (термостойкое оптическое волокно с золотым покрытием).
OFSCN® Gold-coated Optical Fiber (термостойкое оптическое волокно с золотым покрытием)
Этот продукт использует чистое золото в качестве герметизирующего покрытия и разработан для экстремально суровых физических условий:
- Температурный диапазон:
Может стабильно работать в широком диапазоне температур (одномодовое оптоволокно с золотым покрытием: -270^\circ\text{C} до 700^\circ\text{C}). - Превосходная герметичность:
Атомарный слой золота полностью блокирует проникновение молекул воды и водорода, сохраняя идеальные характеристики нулевого водородного затухания и нулевой статической усталости даже при экстремально высоких температурах и давлении. - Физические параметры:
Производится на основе стандартных оптических стержней G.652D или G.657 A2, с диаметром ядра 9\ \mu\text{m} / оболочки 125\ \mu\text{m} / внешним диаметром покрытия 155\ \mu\text{m} .
Вот реальные изображения этого продукта:
Таким образом, «угольная одежда» — это великое изобретение в области защиты оптического волокна, успешно сочетающее защиту от влаги и водорода. А там, где угольное покрытие не справляется с более высокими температурами или более суровыми условиями, волокно с металлическим покрытием, таким как золотое, является лучшим решением в современной оптической инженерии.