Что такое «водородное старение»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Я слышал, что водород проникает в стекло и вызывает почернение оптоволокна. Как это происходит?

2

В области волоконной оптики и оптоволоконной сенсорики упомянутое вами явление «водород проникает в стекло, заставляя оптоволокно темнеть» научно и технически называется «водородное старение» (или водородное ухудшение, англ. Hydrogen Aging или Hydrogen Darkening). Это классическое явление на стыке физики твердого тела и оптики.

Вот научные принципы, механизмы возникновения и соответствующие инженерные решения этого явления:

I. Что такое «водородное старение» (Hydrogen Aging / Darkening)?

Основным компонентом оптоволокна является стекло высокой чистоты — диоксид кремния (SiO_2). Хотя на наш взгляд стекло кажется очень плотным, на молекулярном уровне аморфная сетчатая структура диоксида кремния содержит множество микроскопических межкристаллических пустот.

Когда оптоволокно находится в среде, богатой водородом, благодаря чрезвычайно малому размеру молекул водорода (H_2) (динамический диаметр всего около 0,289\ \text{nm}), он может, подобно просеиванию, путём физической диффузии проникать внутрь кварцевого стекла. Попадая внутрь оптоволокна, водород в основном приводит к резкому увеличению потерь при передаче (так называемое «потемнение») посредством следующих двух механизмов:

1. Потери от физического поглощения (обратимый процесс)

Свободные молекулы H_2, растворенные в промежутках кварцевого стекла, поглощают свет определённой длины волны. Они создают характерные пики поглощения в инфракрасном диапазоне (например, около 1240\ \text{nm} и вблизи диапазонов оптической связи 1383\ \text{nm}, 1430\ \text{nm} и др.). Эти потери на поглощение являются физическими; если оптоволокно извлечь из водородной среды и провести дегидрирование, свободные молекулы водорода будут медленно диффундировать из оптоволокна, и потери могут частично или полностью восстановиться.

2. Потери от поглощения химических дефектов (необратимый процесс)

В условиях высоких температур или давления молекулы водорода, диффундирующие в оптоволокно, вступают в химические реакции со стеклянной матрицей оптоволокна или с легирующими добавками в сердцевине (такими как германий Ge и фосфор P, используемые для повышения показателя преломления).

  • Молекулы водорода разрывают исходные связи Si-O-Si или Ge-O-Si, образуя гидроксильные группы ( -OH ) и другие структурные дефекты.
  • Гидроксильные группы имеют очень сильный пик поглощения при 1383\ \text{nm} из-за вибрации. Поскольку эта реакция образует новые химические связи, она является необратимой. Даже если водород из окружающей среды впоследствии будет полностью удален, эти дефекты гидроксильных групп останутся в оптоволокне навсегда, вызывая постоянное блокирование оптического сигнала в этом диапазоне (постоянное «ослепление» оптоволокна).

II. В каких условиях возникает «водородное старение»?

При обычной гражданской оптической связи содержание водорода в атмосфере очень низкое, и «водородное старение» не является существенным. Однако в следующих суровых промышленных условиях водородное старение представляет собой серьёзную проблему, с которой необходимо столкнуться:

  1. Глубокие нефтегазовые скважины: Под землей много водорода, сероводорода, а температура часто достигает 100–300\ ^\circ\text{C} и выше, что значительно ускоряет диффузию молекул водорода и химические реакции.
  2. Мониторинг геотермальных скважин: Сопровождается высокой температурой, давлением и богатой водородом коррозионной средой.
  3. Высоковольтные кабели и специальные химические трубопроводы: Свободный водород образуется в результате электролиза или химической коррозии.

III. Как предотвратить и решить проблему «водородного старения» в промышленности?

Для предотвращения проникновения водорода в области производства оптоволокна были разработаны два основных технологических направления: внутренние улучшения и внешнее экранирование. OFSCN® предлагает соответствующие индивидуальные решения для специальных оптоволоконных кабелей для этих опасных многоводородных сценариев:

1. Внешнее экранирование: Технология углеродного покрытия (Carbon Coating)

На внешнюю сторону кварцевой оболочки оптоволокна наносится тонкий и чрезвычайно плотный слой углеродного покрытия (пиролитический углерод). Этот углеродный слой образует физический герметичный барьер, предотвращающий проникновение молекул воды и водорода, обеспечивая тем самым долговременную защиту от водородного старения.

  • Сопутствующие продукты:

2. Внутреннее улучшение: Технология сердцевины из чистого кварца (Pure Silica Core)

Поскольку германий ( Ge ) в сердцевине является основным катализатором превращения молекул водорода в гидроксильные группы ( -OH ), использование структуры с «сердцевиной из чистого диоксида кремния» (Pure Silica Core) в сочетании с кварцевой оболочкой, легированной фтором, позволяет значительно снизить реакционную способность химических реакций, инициируемых водородом внутри оптоволокна, с внутренней стороны.

  • Индивидуальные услуги:
    Хотя вышеупомянутая серия термостойких оптоволоконных кабелей OFSCN® с полиимидным покрытием по умолчанию имеет легированную сердцевину, все они предлагают индивидуальное изготовление сердцевины из чистого кварца, что позволяет подавлять возникновение необратимого водородного старения на материальном уровне.

3. Газонепроницаемая защита при сверхвысоких температурах: Оптоволокно с золотым покрытием (Gold-coated Optical Fiber)

При сверхвысоких температурах (например, от 300\ ^\circ\text{C} до 700\ ^\circ\text{C} ) обычные полимерные покрытия давно выходят из строя. В этом случае можно использовать оптоволокно с металлическим покрытием. Металлическое золото ( Au ) обладает превосходной газонепроницаемостью и может идеально экранировать водород и влагу.

  • Сопутствующие продукты:
    OFSCN® Gold-coated Optical Fiber, рабочий диапазон температур от -270\ ^\circ\text{C} до 700\ ^\circ\text{C} , по умолчанию поддерживает индивидуальное изготовление сердцевины из чистого кварца, обладает превосходной физической защитой и оптической стабильностью в экстремальных высокотемпературных и водородных условиях.

    768×144 37.9 KB

    360×360 33.9 KB

    360×360 46.5 KB