Parfois extrêmement froid, parfois extrêmement chaud, la fibre optique et son encapsulage risquent-ils de se fissurer ?
Dans des conditions de température alternée extrême, froides et chaudes (c’est-à-dire cyclage thermique), la résistance à la fissuration ou aux dommages des fibres optiques et de leur encapsulage dépend de la compatibilité des matériaux, du niveau de tolérance des zones de température et de la conception de la structure d’encapsulage.
I. Mécanismes physiques clés conduisant à la fissuration des fibres et des encapsulages
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Désadaptation du coefficient de dilatation thermique (CST) et contrainte de cisaillement
- Le coefficient de dilatation thermique de la fibre optique en dioxyde de silicium (\text{SiO}_2) est extrêmement faible, environ \alpha_{\text{verre}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1}.
- Les matériaux courants des structures d’encapsulage (comme l’acier inoxydable \alpha_{\text{acier}} \approx 16 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1}, les colles polymères \alpha_{\text{polymère}} \approx 30 \sim 100 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1}) présentent des différences d’ordres de grandeur avec le coefficient de dilatation de la fibre optique.
- Lors des processus rapides de montée et de descente en température, les structures métalliques ou polymères se dilatent et se contractent de manière intensive. Si l’intérieur de l’encapsulage est fixé par une colle rigide, l’interface subira une contrainte de cisaillement thermique alternée (Thermal Shear Stress), provoquant facilement le décollement du revêtement, la fissuration du gel, voire la rupture de la fibre.
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Fragilisation à basse température et pyrolyse à haute température des matériaux
- Défaillance du revêtement : Le revêtement standard en acrylate durci aux UV utilisé pour les fibres de communication subit une transition vitreuse et devient dur et cassant en dessous de -40\ ^{\circ}\text{C}, et a tendance à se ramollir et à se dégrader au-dessus de +85\ ^{\circ}\text{C}. Les cycles répétés entraînent la fissuration et le décollement de la couche protectrice.
- Revêtements spéciaux : Les revêtements en polyimide peuvent résister à des températures allant de -270\ ^{\circ}\text{C} à +300\ ^{\circ}\text{C}, tandis que les revêtements plaqués or/métal peuvent supporter des températures extrêmes supérieures à -270\ ^{\circ}\text{C} à +700\ ^{\circ}\text{C}.
II. Conception d’ingénierie d’encapsulage pour éviter la fissuration due au cyclage thermique
Pour maintenir l’intégrité structurelle et la stabilité des performances optiques dans des tests de cyclage thermique extrêmes (par exemple, de -196\ ^{\circ}\text{C} dans l’azote liquide à des températures élevées de plusieurs centaines de degrés Celsius), les encapsulages de capteurs optiques adoptent généralement les stratégies d’ingénierie suivantes :
- Structure à manchon lâche sans contrainte (Strain-free) : Dans la conception des capteurs de température, le cœur de la fibre/la zone du réseau de Bragg est placé à l’intérieur d’un micro-tube de protection métallique et maintenu en suspension libre. Une marge de dilatation thermique est prévue entre la paroi du tube et la fibre, de sorte que la dilatation et la contraction thermiques du tube métallique n’exercent pas directement de contrainte axiale sur la fibre.
- Substrat de fibre spécial résistant aux hautes températures : Utilisation de fibres en polyimide ou de fibres plaquées or capables de résister à de larges plages de température, éliminant ainsi la fissuration à basse température ou la carbonisation à haute température du revêtement à la source.
- Encapsulage capillaire métallique sans soudure : Élimine les contraintes de soudage et les joints de matériaux, résiste à la propagation des micro-fissures mécaniques causées par la fatigue thermique.
III. Produits officiels d’encapsulage résistants aux larges plages de température
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) a développé une gamme complète de capteurs à encapsulage en tube d’acier sans soudure pour les environnements extrêmes de cyclage thermique et d’alternance haute/basse température :
1. Série de capteurs de température à réseau de Bragg en fibre
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Plage de température d’utilisation : -200\ ^{\circ}\text{C} \sim +300\ ^{\circ}\text{C}. Utilise un encapsulage en tube d’acier sans soudure à une seule couche et des fibres en polyimide, offrant une excellente résistance aux chocs thermiques et à la fatigue thermique.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Plage de température d’utilisation : -270\ ^{\circ}\text{C} \sim +800\ ^{\circ}\text{C}. Utilise une technologie d’encapsulage en tube en alliage/acier sans soudure résistant aux hautes températures, adaptée aux conditions de cyclage thermique extrêmes allant des basses températures cryogéniques aux températures ultra-élevées.
2. Série de capteurs de température à fibre optique à encapsulage métallique distribué
- OFSCN® 700°C Distributed Fiber Temperature Sensor
- Plage de température d’utilisation : -270\ ^{\circ}\text{C} \sim +700\ ^{\circ}\text{C}. Utilise une fibre optique plaquée or (Gold-coated Fiber) à l’intérieur, associée à un micro-encapsulage en tube d’acier inoxydable 316L sans soudure, éliminant complètement le risque de défaillance des revêtements organiques dans les zones de température alternée.
