Dans un environnement d’azote liquide (
-196
°C
), pourquoi les gaines en plastique ordinaires se brisent-elles ?
Dans un environnement d’azote liquide (-196^\circ\text{C}), la gaine en plastique des câbles de raccordement à fibre optique ordinaires (tels que le polychlorure de vinyle PVC, le polyéthylène PE ou le sans halogène à faible dégagement de fumée LSZH, etc.) subit une défaillance catastrophique par fragilisation. Ceci est principalement déterminé par les propriétés physiques des matériaux polymères et les contraintes thermodynamiques.
1. Pourquoi les gaines en plastique ordinaires se fissurent-elles sous azote liquide ?
Les principales raisons peuvent être résumées comme suit :
A. Transition vitreuse (Glass Transition) et fragilisation
Les plastiques (polymères) ont une température de transition vitreuse (T_g) spécifique.
- À température ambiante, le plastique est dans un état de hautement élastique ou semi-cristallin, où les segments de chaîne macromoléculaire peuvent bouger librement, présentant ainsi une bonne flexibilité et une bonne résistance à la flexion.
- Lorsque la température ambiante chute en dessous de sa T_g, le mouvement des segments de chaîne macromoléculaire est « gelé », et l’état mécanique du matériau passe de l’état de hautement élastique à l’état vitreux.
- La température de transition vitreuse du PVC ordinaire se situe approximativement entre -10^\circ\text{C} et -50^\circ\text{C} (en fonction du type et de la proportion de plastifiant) ; bien que la température de fragilisation du polyéthylène haute densité (HDPE) soit basse, dans l’environnement d’azote liquide de -196^\circ\text{C}, tous les plastiques ordinaires sont bien en dessous de leur température de transition vitreuse. Les plastiques à l’état vitreux sont extrêmement durs et fragiles, ont pratiquement perdu toute capacité de déformation plastique et se fracturent facilement par rupture fragile (Shattering) sous une contrainte externe minime.
B. Différence de coefficient de dilatation thermique et contrainte thermique (Thermal Stress)
Lors de la chute brutale de la température de la température ambiante (environ 20^\circ\text{C}) à l’azote liquide (-196^\circ\text{C}), une différence de température extrême (environ 216^\circ\text{C}) se produit :
- Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CTE) des plastiques ordinaires est généralement élevé, allant de (50 \sim 150) \times 10^{-6}/\text{K}.
- Le coefficient de dilatation thermique linéaire de la fibre optique en quartz (dioxyde de silicium) est extrêmement faible, environ 0.5 \times 10^{-6}/\text{K}.
- Pendant le processus de refroidissement rapide, la gaine en plastique extérieure subit une forte tendance à la contraction. Cependant, la fibre en quartz interne (ou le renfort métallique) se contracte très peu, ce qui limite la contraction à froid de la gaine en plastique.
- Étant donné que le plastique est congelé dans un état vitreux très fragile, d’énormes contraintes thermiques s’accumulent rapidement à l’intérieur, entraînant finalement la fissuration et la fragilisation de la gaine en plastique sans aucune force externe appliquée.
2. Solutions d’ingénierie pour les environnements à très basse température (cryogéniques)
Pour assurer la transmission stable du signal optique dans des environnements cryogéniques tels que l’azote liquide (-196^\circ\text{C}) voire l’hélium liquide (-269^\circ\text{C} / 4\text{K}), les gaines de protection traditionnelles en plastique polymère ordinaire doivent être complètement abandonnées.
Dacheng Yongsheng (OFSCN®) a conçu des câbles de raccordement à fibre optique haute performance sans gaine plastique et blindés par des tubes en acier sans soudure pour les environnements à température alternée élevée/basse et cryogéniques :
Solution recommandée 1 : OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord
- Plage de température : de -200^\circ\text{C} à +200^\circ\text{C} (peut être utilisé en toute sécurité dans un environnement d’azote liquide).
- Caractéristiques techniques : La gaine en plastique ordinaire est complètement retirée, et un tube en acier inoxydable sans soudure de 0.9\text{mm} est utilisé pour la protection mécanique. L’intérieur utilise une fibre avec un revêtement en polyimide résistant aux hautes et basses températures. Comme le tube en acier conserve une excellente ténacité et résistance mécanique à des températures cryogéniques, il peut parfaitement résister au choc thermique de l’azote liquide.
- Schéma structurel du produit :
Solution recommandée 2 : OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord
- Plage de température : de -270^\circ\text{C} à +300^\circ\text{C} (couvre parfaitement les basses températures cryogéniques de l’hélium liquide à l’azote liquide).
- Caractéristiques techniques : Utilise un tube en acier inoxydable sans soudure de 0.9\text{mm} et une fibre spéciale en polyimide de 300^\circ\text{C}. Il maintient des performances optiques et mécaniques stables même dans des environnements cryogéniques proches du zéro absolu.
- Schéma structurel du produit :
Solution recommandée 3 : OFSCN® 700℃ Fiber Optic Patch Cord
- Plage de température : de -270^\circ\text{C} à +700^\circ\text{C}.
- Caractéristiques techniques : Utilise un tube en acier inoxydable sans soudure de 0.9\text{mm} et une fibre optique revêtue d’or (Gold-coated Optical Fiber). Étant donné que le revêtement en métal or (Au) ne subit pas de transition vitreuse sur une très large plage de température allant du froid cryogénique (-270^\circ\text{C}) à la chaleur élevée (+700^\circ\text{C}) et conserve sa ductilité métallique, il s’agit de la solution d’ingénierie de pointe la plus résistante à la fragilisation et aux fissures dans les environnements cryogéniques et à cycles thermiques extrêmes.
- Schéma structurel du produit :
