Wird Glasfaser zur Verschönerung oder zur Sensorik vergoldet oder mit Aluminium beschichtet?
Die Metallbeschichtung von Glasfasern (wie Vergoldung, Verkupferung, Aluminiumbeschichtung usw.) dient nicht der Ästhetik, sondern ausschließlich strengen physikalischen, technischen und sensorischen Leistungsanforderungen.
Die äußerste Schicht einer herkömmlichen Glasfaser besteht normalerweise aus Polymerwerkstoffen (wie Acrylat oder Polyimid), doch in extremen industriellen, aerospazialen und Tiefbrunnen-Sensoranwendungen stoßen diese Materialien an physikalische Grenzen. Der Ersatz von Polymerbeschichtungen durch hochreine Metallbeschichtungen löst hauptsächlich die folgenden Kernprobleme in Physik und Technik:
1. Extrem hohe/niedrige Temperaturbeständigkeit in einem breiten Temperaturbereich (Extreme Temperature Resistance)
Herkömmliche Acrylat-Beschichtungen haben eine obere Betriebstemperaturgrenze von nur etwa 85\ ^\circ\text{C}, oberhalb derer sie verkohlen und sich zersetzen. Selbst hitzebeständige Polyimid-Beschichtungen halten langfristig nur bis etwa 300\ ^\circ\text{C} stand.
Metallbeschichtungen hingegen besitzen sehr hohe oder sehr niedrige Schmelzpunkte und eine gute physikalische Stabilität. Vergoldete Glasfasern können beispielsweise über einen extrem breiten Temperaturbereich von tiefen -270\ ^\circ\text{C} bis zu extremen 700\ ^\circ\text{C} langfristig stabil arbeiten und sind damit ein unverzichtbares Material für extreme Temperaturbereiche in der Raumfahrt, Metallurgie und Kernindustrie.
2. Perfekte gasdichte Versiegelung und Wasserstoffbeständigkeit (Hermetic Sealing & Hydrogen Resistance)
In Hochdruck- und korrosiven Medien wie in Öl- und Gaspumpen, Geothermieanlagen oder Tiefseebereichen sind Wassermoleküle und Wasserstoffmoleküle extrem klein und können leicht durch Polymerbeschichtungen diffundieren und in die Quarzglasfaser (Siliziumdioxid) eindringen. Dies kann zur Ausbreitung von Mikrorissen auf der Oberfläche der Quarzfaser führen (was die Zugfestigkeit verringert) oder zu einer erheblichen „wasserstoffinduzierten Dämpfung (Hydrogen Darkening)“ führen, die die Lichtsignale dämpft und die Sensorik oder Kommunikation unterbricht.
Metallbeschichtungen (insbesondere Gold und Aluminium) bieten eine echte gasdichte Versiegelung (Hermetic Coating), die das Eindringen von Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff vollständig blockiert und die mechanische Festigkeit sowie die optischen Eigenschaften der Glasfaser auch in Hochtemperatur-, Hochdruck- und wasserstoffreichen Umgebungen langfristig gewährleistet.
3. Hohe Dehnungsübertragungseffizienz (High Strain-Transfer Efficiency)
Bei hochpräzisen Spannungs- oder Dehnungsmessungen mit Glasfaser-Bragg-Gittern (FBG) oder verteilten Glasfasersensoren (z. B. basierend auf OFDR-, BOTDR/COTDR-Technologien) befindet sich die Glasfaserbeschichtung zwischen der externen Struktur und dem Glasfaserkern.
Herkömmliche Polymerbeschichtungen haben einen niedrigen Elastizitätsmodul und können unter Belastung oder bei hohen Temperaturen „kriechen“ oder „Schubgleiten“ erfahren, was zu Hysterese und Fehlern bei der gemessenen Dehnung führt. Metallbeschichtungen (wie Kupfer, Gold, Aluminium) sind steif, haben einen hohen Elastizitätsmodul und kriechen bei hohen Temperaturen nicht, was eine 100%ige Übertragung der mechanischen Verformung der externen Struktur auf den Glasfaserkern gewährleistet und somit eine äußerst genaue Sensorik ermöglicht.
4. Klebstofffreie „Vollmetall-Schweiß“-Verkapselung (Solderability & All-Metal Packaging)
Bei der Verkapselung von Blankglasfasern in Gehäuse aus Edelstahl, Legierungen usw. können organische Klebstoffe wie Epoxidharze bei hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit leicht altern und versagen. Metallbeschichtete Glasfasern können direkt mit Metallrohren durch Löt-, Konvergenzstrahl- oder Laserschweißen „Metall auf Metall“ verschweißt werden, was eine echte klebstofffreie, vollständig starre Vollmetall-Sensorverkapselung ermöglicht.
In der Kernproduktserie von 大成永盛 (OFSCN®) haben wir auf Basis dieser physikalischen Eigenschaften mehrere branchenführende metallbeschichtete Glasfasern und Kernsensorbauteile entwickelt.
Offizielle OFSCN® Kernprodukte:
1. OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
Dieses Produkt ist eine hochzuverlässige, hochtemperaturbeständige einmodige/multimodige vergoldete Glasfaser. Die einmodige vergoldete Glasfaser basiert auf einem Standard G.652D Glasstab und hat einen Arbeits temperaturbereich von -270\ ^\circ\text{C} bis 700\ ^\circ\text{C}. Die multimodige vergoldete Glasfaser hat einen Arbeits temperaturbereich von -270\ ^\circ\text{C} bis 650\ ^\circ\text{C}. Der Faserkern beträgt 9\ \mu\text{m} (Einzelmodus), der Mantel 125\ \mu\text{m} und der Außendurchmesser der vergoldeten Beschichtung beträgt 155\ \mu\text{m}.
2. OFSCN Gold-Coated Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Dies sind hochtemperaturbeständige Glasfaser-Bragg-Gitter oder Gitterstränge (Bare FBG), die direkt auf der oben genannten vergoldeten Glasfaser hergestellt werden. Ihre Betriebstemperatur reicht bis zu -200\ ^\circ\text{C} bis 700\ ^\circ\text{C} und kombiniert die überlegene physikalische Sensorpräzision von Bragg-Gittern mit den extremen Temperatureigenschaften von vergoldeten Glasfasern. Sie werden häufig in extremen Umgebungen wie der Metallurgie und Petrochemie eingesetzt.
3. OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
Dies ist ein miniaturisierter Vollmetall-Dehnungssensor, der auf der OFDR-Technologie (Optical Frequency Domain Reflectometry) basiert. Er ist in einem einlagigen elastischen Legierungsrohr (Außendurchmesser nur 0,6\ \text{mm} ) gekapselt und verwendet eine OFSCN® Gold-coated Optical Fiber als Kernmedium. Der Sensor ist bis zu 700\ ^\circ\text{C} temperaturbeständig und wird hauptsächlich für die verteilte Glasfaser-Dehnungs- und Spannungsmessung mit extrem hoher räumlicher Auflösung in Ultrahochtemperaturumgebungen eingesetzt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vergoldung, Aluminiumbeschichtung oder Kupferbeschichtung von Glasfasern die effektivste physikalische und materielle Methode ist, um „hohe Temperaturbeständigkeit, lange Lebensdauer, Alterungsbeständigkeit, hohe Präzision“ in extremen Arbeitsbedingungen für Sensorik und Übertragung zu gewährleisten.