Как размягчение или затвердевание покровного материала влияет на датчик?
1. Определение физических концепций: Температура стеклования (T_g)
Критическая точка, при которой материал покрытия становится мягче или тверже, в материаловедении называется температурой стеклования (Glass Transition Temperature, сокращенно T_g).
- Ниже T_g: Полимерный материал находится в стеклообразном состоянии (Glassy State), сегменты молекулярных цепей находятся в «замороженном» состоянии, материал демонстрирует высокую твердость, высокий модуль упругости и хорошую жесткость.
- Выше T_g: Полимерный материал переходит в высокоэластичное состояние (Rubbery State, также называемое резиновым состоянием), сегменты молекулярных цепей начинают двигаться, материал быстро размягчается, модуль упругости и модуль сдвига резко падают, макроскопически проявляя высокую пластичность и гибкость.
2. Влияние стеклования на оптические датчики (особенно на датчики FBG)
Эта критическая температурная точка оказывает решающее влияние на точность измерений, стабильность и физический срок службы оптических датчиков, в основном проявляясь в следующих четырех аспектах:
(1) Резкое падение эффективности передачи деформации (Strain Transfer Efficiency)
Для волоконно-оптических решеточных (FBG) датчиков деформации покрытие является ключевым носителем, передающим деформацию внешней структуры на кварцевое волокно.
- Ниже T_g: Жесткое покрытие обеспечивает чрезвычайно эффективную и стабильную передачу касательной силы, обеспечивая совместную деформацию волокна и измеряемой конструкции.
- При превышении T_g: Материал покрытия резко размягчается, его модуль Юнга и модуль сдвига падают на несколько порядков. В это время внутри покрытия происходит серьезная ползучесть сдвига и вязкоупругое проскальзывание, что приводит к неэффективной и нелинейной передаче внешней деформации на сердцевину волокна. Чувствительность датчика к деформации резко снижается, что приводит к большим погрешностям измерений.
(2) Нелинейность температурного отклика из-за скачка коэффициента теплового расширения (CTE)
При стеклования полимерные материалы демонстрируют резкое изменение коэффициента теплового расширения (CTE), причем CTE в высокоэластичном состоянии обычно в несколько раз выше, чем в стеклообразном.
- При измерении температуры датчиком FBG собственное тепловое расширение покрытия также прикладывает осевое растяжение к оптическому волокну за счет термоупругого эффекта, что вносит вклад в смещение температуры по длине волны.
- При пересечении температуры T_g из-за дискретного изменения CTE возникает «излом» или «ступенька» в чувствительности к температуре (температурной чувствительности) отраженной длины волны FBG, что серьезно нарушает линейность температурной калибровки (обычно стабильные линейные или квадратичные зависимости).
(3) Отказ механической защиты и потеря из-за микроизгибов (Microbending Loss)
- При очень низких температурах (значительно ниже T_g): Некоторые материалы покрытия (например, обычный акрилат) из-за сильного сжатия и затвердевания при охлаждении оказывают неравномерное осевое или радиальное давление на оптическое волокно, что вызывает потери на микроизгибы внутри волокна и увеличивает затухание оптического сигнала.
- При высоких температурах (выше T_g): Размягченное покрытие теряет способность сопротивляться боковому механическому давлению. Любое слабое внешнее давление, изгиб или сдвиг могут напрямую воздействовать на стеклянную оболочку оптического волокна, вызывая не только сильные потери на микроизгибы, но и делая сердцевину волокна чрезвычайно подверженной усталостному разрушению под нагрузкой.
(4) Ползучесть и гистерезис (Hysteresis and Creep)
В высокоэластичном состоянии выше T_g материалы проявляют сильное вязкоупругое поведение. Когда датчик подвергается циклическим нагрузкам или длительным статическим деформациям, материал испытывает медленное расслабление напряжений и ползучесть, что приводит к значительному гистерезису (т. е. несоответствию длины волны при одинаковой физической величине во время загрузки и разгрузки), что затрудняет высокоточный динамический мониторинг датчика.
3. Инженерные решения и сопутствующие технические продукты OFSCN®
Для преодоления или смягчения негативных последствий температуры стеклования полимерных покрытий, в высокоуровневых оптических инженерных применениях необходимо выбирать подходящие покрытия в зависимости от рабочего диапазона температур:
Решение A: Для обычных температурных диапазонов
В обычных температурных диапазонах (от -40\ {}^\circ\text{C} до 100\ {}^\circ\text{C}) обычно используется покрытие из полиакрилата (Polyacrylate):
- OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Вторичное покрытие изготовлено из стандартного полиакрилата, который может поддерживать стабильную базовую защиту и характеристики зондирования в этом температурном диапазоне. Однако при достижении или превышении 100\ {}^\circ\text{C} покрытие полностью размягчается и начинает термически разлагаться.
Решение B: Для широкого температурного диапазона и высокой стабильности (сверхвысокая T_g)
Если температура окружающей среды измерения высокая или требуется чрезвычайно высокая точность передачи деформации в широком температурном диапазоне, покрытие следует заменить на полиимид (Polyimide). Полиимид имеет чрезвычайно высокую температуру стеклования (обычно выше 300\ {}^\circ\text{C}, и даже без явной классической стадии T_g происходит карбонизация), что обеспечивает высокую твердость и стабильные механические свойства в чрезвычайно широком диапазоне температур:
- OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Вторичное покрытие изготовлено из полиимида, рабочий диапазон температур которого составляет от -200\ {}^\circ\text{C} до 300\ {}^\circ\text{C}, обладая превосходной устойчивостью к ползучести и чрезвычайно высокой эффективностью передачи деформации.
Решение C: Полное устранение влияния стеклования (неорганическое металлическое покрытие)
В условиях сверхвысоких температур (например, 700\ {}^\circ\text{C}) или сверхвысокого вакуума любая органическая полимерная оболочка будет термически разлагаться. В этом случае необходимо использовать неорганический металл в качестве покрытия, чтобы полностью устранить проблему стеклования полимера:
- OFSCN® Gold-coated Optical Fiber: В качестве материала покрытия используется металлическое золото (Gold), рабочий диапазон температур составляет от -270\ {}^\circ\text{C} до 700\ {}^\circ\text{C}. Металлическое покрытие не обладает характеристиками T_g полимера и демонстрирует непрерывные и чрезвычайно стабильные механические и физические свойства в очень широком диапазоне температур.