Hat die Kraft, die beim Ziehen der Glasfaser ausgeübt wird, Auswirkungen auf die Qualität der Glasfaser?
Bei der Glasfaserherstellung beeinflusst die bei der Glasfaserziehung aufgebrachte Kraft (die „Glasfaserziehspannung“, Fiber Drawing Tension) nicht nur die Glasfaserqualität, sondern ist auch ein zentraler Prozessparameter, der die geometrischen Abmessungen, optischen Verluste und die mechanische Zuverlässigkeit bestimmt.
1. Was ist „Glasfaserziehspannung“?
Die Glasfaserziehung findet normalerweise auf einem Dutzende Meter hohen Zieh-Turm statt:
- Schmelzverformung: Ein Vorformling aus hochreinem Quarzglas (Preform) wird in einen Hochtemperatur-Zieh-Ofen (Graphit-Widerstands- oder Induktionsofen, Temperatur normalerweise zwischen 1900^\circ\text{C} \sim 2100^\circ\text{C}) geführt, wo er erweicht und eine Einschnürungszone (Neck-down region) bildet.
- Ziehen zu Fasern: Ein am Boden befindliches Zugrad (Capstan) zieht den Vorformling mit einem voreingestellten Tempo nach unten und dehnt den einige Zentimeter dicken Vorformling zu einer nackten Glasfaser mit einem Nenndurchmesser von 125\ \mu\text{m} .
- Spannungsdefinition: Die axiale Zugkraft, die die Glasfaser im Schmelzbereich und im Kühlabschnitt erfährt, ist die Ziehspannung (normalerweise in Gramm-Kraft \text{gf} oder Millinewton \text{mN} angegeben, typische industrielle Steuerungsbereiche liegen zwischen 30 \sim 150\ \text{gf} , abhängig von der Ziehgeschwindigkeit, dem Faserdurchmesser und der Materialzusammensetzung).
Die Ziehspannung F steht in direktem Zusammenhang mit der Viskosität \eta der Glasschmelze im Einschnürungsbereich, der Ziehgeschwindigkeit v und der geometrischen Gradientenrate:
F \approx 3 \pi \eta r^2 \frac{\partial v}{\partial z}
2. Konkrete Auswirkungen der Ziehspannungsgröße auf die Glasfaserqualität
Eine zu hohe oder zu niedrige Ziehspannung hat mehrdimensionale negative Auswirkungen auf die Glasfaser:
1. Gleichmäßigkeit der geometrischen Abmessungen und Schwankungen des Außendurchmessers
- Zu hohe Spannung: Der Schmelzbereich kann anfällig für Kapillarinstabilitäten oder rheologische Instabilitäten sein, was zu hochfrequenten radialen Schwankungen des Glasfaserdurchmessers führt.
- Zu niedrige Spannung: Die Glasfaser kann im Ofen und im Kühlrohr leichte niederfrequente Schwankungen aufweisen, was zu einer verzögerten Rückkopplungsregelung des Außendurchmessers führt und die Toleranzkonsistenz und Rundheit des Faserdurchmessers ( 125 \pm 0.7\ \mu\text{m} ) stark beeinträchtigt.
2. Mikroskopische Defekte und optische Dämpfung (Loss)
- Zu hohe Spannung:
- Hohe Scherspannungen können zur Bruch von Bindungen in der dreidimensionalen Netzwerkstruktur von hochreinem Quarzglas ( \text{SiO}_2 ) führen, was zu Punktdefekten führt (wie Nicht-Brücken-Sauerstoff-Hohlraumzentren NBOHC, Sauerstoff-Defektzentren ODC, E’-Zentren usw.). Diese Farbzentren-Defekte erzeugen zusätzliche Absorptionsspitzen in bestimmten UV-, sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereichen.
- Sie erhöhen auch die Unregelmäßigkeit der mikroskopischen Glasdichte und „frieren“ höhere Dichteschwankungen ein, was die intrinsische Rayleigh-Streuung der Glasfaser erhöht.
3. Interne Restspannungen und Polarisationsmodendispersion (PMD)
- Die Glasfaser besteht aus einem dotierten Kern und einem Mantel aus reinem Siliziumdioxid, die sich in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Hochtemperatur-Viskosität unterscheiden.
- Zu hohe Spannung: Wenn die Glasfaser beim schnellen Abkühlen erstarrt, können sich die Verformungsspannungen bei hohen Temperaturen durch Relaxationsprozesse nicht rechtzeitig abbauen, was zu irreversiblen, mechanisch eingefrorenen Spannungen (Mechanically Frozen-in Stress) an der Kern-Mantel-Grenzfläche führt. Durch den photoelastischen Effekt führen diese Spannungen zu asymmetrischer mikroskopischer Doppelbrechung und verschlechtern dadurch den Polarisationsmodendispersion (PMD) -Wert der Glasfaser.
4. Mechanische Zugfestigkeit und langfristige Lebensdauer
- Bruchrate während der Ziehung: Zu hohe Spannung erhöht direkt die Häufigkeit von Brüchen auf dem Zieh-Turm.
- Ausbreitung von Oberflächenmikrorissen: Die Oberfläche der nackten Faser ist vor dem Eintritt in die Beschichtungsdüse anfällig für Angriffe durch Umgebungsfeuchtigkeit. Zu hohe Ziehspannungen beschleunigen die Entstehung und die subkritische Ausbreitung von Oberflächenmikrorissen (Griffith Flaws), was zu Ausfällen bei der anschließenden Zugfestigkeitsprüfung (Screen / Proof Test, typischerweise 100\ \text{kpsi} \approx 0.7\ \text{GPa} ) führt und die Langzeit-Ermüdungslebensdauerparameter ( n-Wert) der Faser erheblich schwächt.
5. Qualität und Konzentrizität der Beschichtung
- Nach dem Herausziehen der nackten Faser muss sie sofort in eine flüssige Harzbeschichtungsdüse (Coating Die) eingeführt werden, um die primäre und sekundäre Beschichtung aufzubringen.
- Zu niedrige Spannung: Unzureichende Spannung der Glasfaser führt dazu, dass sie beim Eintritt in die Düse keine absolute vertikale und axiale Stabilität beibehält, was leicht zu einer nicht-konzentrischen Beschichtung (Coating Non-concentricity) führt oder sogar winzige Luftblasen in die Beschichtung einschließt, was zu einer deutlichen Erhöhung der Mikrobögenverluste führt.
3. Zusammenfassung
Die Ziehspannung ist ein zentraler Parameter im Glasfaserziehprozess, der präzise gesteuert werden muss (durch dynamische Kopplung und Rückkopplung von Ofentemperatur, Zuführgeschwindigkeit und Zuggeschwindigkeit). In der Industrie wird die Spannung normalerweise streng innerhalb eines optimalen Prozessfensters gehalten, um die geometrische Konsistenz, geringe Übertragungsverluste und hohe mechanische Bruchfestigkeit auszubalancieren.
Die Ziehspannung gehört zum Bereich der grundlegenden Quarzglasfaserherstellung. Die von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) verwendeten Glasfasermaterialien werden durch hochstandardisierte Ziehverfahren und Zugfestigkeitsprüfungen validiert, um eine ausgezeichnete optische Stabilität und mechanische Zuverlässigkeit in extremen technischen Anwendungen wie Hochtemperaturfasern, metallisch bewehrten optischen Kabeln und faseroptischen Bragg-Gittern (FBG) Sensoren zu gewährleisten.