Sind die Verbindungsstellen anfälliger für Brüche als die ursprüngliche Glasfaser? Wie sollten sie geschützt werden?
In der Glasfasertechnik und bei Anwendungen in der physikalischen Optik ist die mechanische Festigkeit einer freiliegenden Spleißstelle (Bare Fusion Splice) deutlich geringer als die der ursprünglichen Faser, wodurch sie bei Zug-, Biege- oder Scherbelastungen anfällig für Sprödbruch ist.
I. Physikalische Mechanismen, die zu einem Bruch der Spleißstelle führen
- Mechanische Beschädigung und Mikrorisse
Vor dem Faserspleißen muss die Schutzbeschichtung (z. B. Acrylat oder Polyimid) außerhalb des Quarzglas-Mantels mit einem Abisolierwerkzeug entfernt werden. Während dieses mechanischen Abisolierprozesses können durch Reibung mikroskopische Kratzer und Mikrorisse auf der Oberfläche des Quarzglases entstehen. - Thermische Spannungen und chemische Oberflächenkorrosion durch Hitze
Die von der Lichtbogenschweißmaschine erzeugte lokale Hitze (ca. 1800^\circ\text{C} \sim 2000^\circ\text{C}) schmilzt und rekonstruiert das Quarzglas, was jedoch zu einem erheblichen Temperaturgradienten an den Übergängen der Wärmeleitung führt. Dies verursacht Restspannungen (Residual Thermal Stress) in der Spleißzone. Gleichzeitig kann Wasserdampf in der Luft die exponierte Quarzglasoberfläche bei hohen Temperaturen angreifen und die Ausbreitung von Mikrorissen beschleunigen. - Vergleich der Festigkeitsabnahme
Die Zugfestigkeit einer ursprünglichen Faser (mit intakter Beschichtung und nach Qualitätskontrolle) liegt normalerweise bei über 100\text{ kpsi} (ca. 0.7\text{ GPa}). Nach dem Spleißen sinkt die Zugfestigkeit eines ungeschützten blanken Spleißes jedoch typischerweise auf 20\% \sim 50\% oder sogar weniger der ursprünglichen Faserfestigkeit.
II. Schutz und technische Schutzmaßnahmen für Spleißstellen
Damit eine Spleißstelle langfristig mechanischen und Umwelteinflüssen standhält, muss sie technisch strukturell geschützt werden:
1. Allgemeine technische Schutzmethoden
- Schrumpfschutzhülse (Heat-shrinkable Splice Sleeves)
Die am häufigsten verwendete konventionelle Schutzmaßnahme. Die Hülse besteht aus einem äußeren Schrumpfschlauch, einem inneren Schmelzkleber (EVA/PE) und einem steifen Edelstahl-Verstärkungsstift (oder einem Quarzstift). Nach dem Erhitzen füllt der Schmelzkleber die Lücken und verdrängt Luft, während der Edelstahl-Verstärkungsstift die extern aufgebrachten mechanischen Zug- und Biegebelastungen aufnimmt. - UV-härtende Neubeschichtung (UV Recoating)
Eine Neubeschichtung des freiliegenden Faserbereichs mit UV-härtendem Acrylat- oder Polyimidharz und anschließende UV-Härtung, um den ursprünglichen 250\ \mu\text{m}} Beschichtungsdurchmesser der Faser wiederherzustellen. Dies ist geeignet für Anwendungen, bei denen Volumen und Außendurchmesser strengen Anforderungen unterliegen.
2. Hochfester Industrieschutz und Sensorspezifischer Schutz
Bei industrieller Überwachung, Anwendungen mit hohen Dehnungen und in rauen Umgebungen (z. B. Faser Bragg Grating (FBG)-Sensorsysteme) reichen herkömmliche Schrumpfschläuche oft nicht aus, um Druck- und Zuganforderungen zu erfüllen. In solchen Fällen sind typischerweise nahtlose Metallrohr-Armierungen oder schädigungsfreie Schreibtechniken erforderlich:
- Armierungsschutz durch nahtlose Stahlrohrkapselung
Schutz der Faser und der Spleißstelle durch nahtlose Edelstahlrohre, die eine vollständige Isolierung von externen Biege- und Quetschbelastungen bieten. Zum Beispiel:
OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- Hochfeste Verarbeitung ohne Abisolieren (Reduzierung von Schwachstellen beim Spleißen von Anfang an)
Bei Sensorbauteilen wie Faser-Bragg-Gittern (FBG) kann die Femtosekunden-Lasertechnologie verwendet werden, um Gitter Punkt für Punkt direkt durch die Beschichtung auf den Kern zu schreiben. Dies eliminiert die Notwendigkeit, die Schutzschicht zu entfernen oder zu spleißen, und erhält somit perfekt die hohe Zugfestigkeit der ursprünglichen Faser:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
