Можно ли восстановить первоначальную прочность голого растра, нанеся на него новый слой кожи?
1. Ключевые выводы
Полное восстановление невозможно.
Повторное нанесение покрытия (recoating) на оголенную решетку не может полностью восстановить предельную механическую прочность волокна до состояния, в котором оно находилось на заводе (т. е. до заводской волоконной решетки до удаления покрытия или решетки, нанесенной в процессе вытяжки).
2. Анализ физических и инженерных принципов
Чтобы понять, почему прочность не может быть полностью восстановлена, необходимо проанализировать механику разрушения (Fracture Mechanics) волокна и изменения поверхностного состояния в процессе изготовления решетки:
① Необратимое образование поверхностных микротрещин (теория Гриффитса)
При вытяжке стандартного телекоммуникационного волокна на вытяжной машине, поверхность расплавленного диоксида кремния (SiO_2) при очень высокой температуре немедленно покрывается первичным защитным слоем (обычно полиакрилатом) в чистой среде при охлаждении. Это гарантирует, что поверхность волокна практически не подвергается воздействию влаги или физическим царапинам, и, следовательно, его предельная прочность на растяжение очень высока.
Однако при изготовлении волоконных решеток (FBG) необходимо удалить существующее покрытие в зоне записи (термическим, механическим или химическим методом). В процессе удаления покрытия, насыщения водородом, зажима и записи ультрафиолетовым (УФ) лазером, открытая поверхность диоксида кремния неизбежно контактирует с влагой и микрочастицами в воздухе, а также подвергается микрофизическим воздействиям.
Согласно теории Гриффитса для хрупкого разрушения, прочность разрушения \sigma_f стеклообразного материала в основном зависит от максимальной глубины a внутренних и поверхностных микротрещин, удовлетворяя следующему соотношению:
\sigma_f = \frac{K_{IC}}{Y \sqrt{a}}
где K_{IC} — коэффициент интенсивности напряжений, а Y — геометрический фактор. Увеличение a из-за мелких дефектов, возникающих в процессе снятия покрытия и записи, приводит к необратимому и резкому снижению предельной прочности на растяжение.
② Функция вторичного покрытия — «защита», а не «заживление»
Вторичное покрытие (например, повторное нанесение полиакрилата, полиимида или других полимерных материалов) представляет собой нанесение защитной пленки на уже изготовленную оголенную решетку. Эта «оболочка» в основном выполняет следующие функции:
- Изолирует влагу из окружающей среды, предотвращая ее химическую реакцию с поверхностью кварца (т. е. предотвращая медленное дальнейшее расширение микротрещин под напряжением, вызванное «коррозией под напряжением» под действием молекул воды).
- Сопротивляется вторичным физическим царапинам, которые могут возникнуть в процессе последующего кабелирования или развертывания.
Однако модуль упругости и прочность на растяжение полимерных материалов значительно ниже, чем у диоксида кремния. Они не могут «склеить» или «залечить» микротрещины на поверхности кварца на молекулярном уровне. При растяжении волокна нагрузка в основном по-прежнему приходится на оболочку из диоксида кремния, а поврежденные микротрещины остаются механически слабыми местами.
③ Практический предел восстановления прочности
- Прочность волокна после заводского тестирования (Proof Test) обычно составляет более 100\ \text{kpsi} (около 0.7\ \text{GPa} ).
- Предельная прочность на растяжение волоконных решеток после удаления покрытия и повторного нанесения покрытия обычно составляет лишь 20\% \sim 50\% от исходной прочности волокна. Остаточная прочность в значительной степени зависит от степени щадящего воздействия процесса удаления покрытия (например, химическое удаление обычно лучше механического) и чистоты среды для записи.
3. Технические решения в отрасли
Для волоконных решеток, используемых в суровых условиях эксплуатации (например, при больших деформациях, значительном изгибе или длительном растяжении), в отрасли применяются два основных решения для обеспечения их механической надежности:
- Волоконные решетки, наносимые в процессе вытяжки (DTG): В процессе вытяжки волокна, сразу после выхода заготовки и до нанесения покрытия, решетка записывается лазером в режиме реального времени, и сразу же наносится первичное покрытие. Поскольку процесс снятия покрытия не производится, исходная сверхвысокая прочность волокна полностью сохраняется.
- Высокоточный процесс повторного нанесения покрытия: При использовании стандартного процесса с предварительным снятием покрытия и последующей записью, необходимо использовать высокоточный аппарат для повторного нанесения покрытия в чистой среде, чтобы быстро восстановить исходный диаметр и максимально сократить время воздействия оголенного волокна на воздух, чтобы максимизировать остаточную прочность.
Волоконные решетки Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) изготавливаются с использованием метода УФ-маскирования. После записи продукт покрывается полиакрилатом (Polyacrylate) с высокой точностью, восстанавливая внешний диаметр до стандартных 255\ \mu\text{m}. Это обеспечивает хорошую гибкость и устойчивость к изгибам, эффективно подавляет коррозию под напряжением, позволяя волоконным решеткам получать максимальную механическую надежность и срок службы при последующем кабелировании или инкапсуляции в качестве датчиков деформации/напряжения.
