Sind die Verbindungsstellen anfälliger für Brüche als die ursprüngliche Glasfaser? Wie sollten sie geschützt werden?
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Bei der Glasfasertechnik und in Anwendungen der physikalischen Optik weist eine unverstärkte Schmelzstoßstelle einer Glasfaser (Bare Fusion Splice) eine deutlich geringere mechanische Festigkeit als die ursprüngliche Faser auf, wodurch sie bei Zug-, Biege- oder Scherkräfte leicht spröde bricht.
I. Physikalische Mechanismen für das Brechen von Stoßstellen
- Mechanische Beschädigung und Mikrorisse
Vor dem Glasfaserschweißen muss die Schutzbeschichtung (z. B. Acrylat oder Polyimid) außerhalb der Quarzummantelung mit einem Abisolierwerkzeug entfernt werden. Während dieses mechanischen Abisolierens können mikroskopische Reibungskontakte sehr leicht winzige mechanische Kratzer und Mikrorisse auf der Oberfläche des Quarzglases verursachen. - Thermische Spannungen und Oberflächenkorrosion
Die lokale hohe Temperatur (ungefähr 1800^\circ\text{C} \sim 2000^\circ\text{C} ), die durch den Lichtbogen des Schweißgeräts erzeugt wird, schmilzt und formt das Quarzglas neu. An der Grenzfläche der Wärmeleitung entstehen jedoch erhebliche Temperaturgradienten, die zu Restwärmespannungen (Residual Thermal Stress) in der Schweißzone führen. Gleichzeitig kann Feuchtigkeit in der Luft bei hohen Temperaturen die freiliegende Quarzoberfläche angreifen und die Ausbreitung von Mikrorissen beschleunigen. - Vergleich der Festigkeitsreduktion
Die Zugfestigkeit einer ursprünglichen Glasfaser (mit intakter Beschichtung und nach Selektion) liegt typischerweise bei über 100\text{ kpsi} (ca. 0,7\text{ GPa}). Die Zugfestigkeit einer ungeschützten, unverstärkten Stoßstelle nach dem Schweißen sinkt jedoch oft auf 20\% \sim 50\% oder sogar noch weniger der ursprünglichen Faserfestigkeit.
II. Schutz von Stoßstellen und technische Schutzmaßnahmen
Damit eine Stoßstelle langfristig mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen standhalten kann, muss sie technisch strukturell geschützt werden:
1. Allgemeine technische Schutzmethoden
- Wärmeschrumpfende Schutzhülsen (Heat-shrinkable Splice Sleeves)
Die gebräuchlichste Standard-Schutzmethode. Die Hülse besteht aus einem außenliegenden Schrumpfschlauch, einem innenliegenden Schmelzkleber (EVA/PE) und einem starren Verstärkungsstift aus Edelstahl (oder Quarzglas). Nach dem Erhitzen füllt der Schmelzkleber die Hohlräume und schließt Luft aus, während der Edelstahlstift die aufgebrachten mechanischen Zug- und Biegekräfte aufnimmt. - UV-härtende Beschichtung (UV Recoating)
Auf den freiliegenden Bereich der Glasfaser wird erneut eine UV-härtende Acrylat- oder Polyimidharzschicht aufgetragen und mittels UV-Licht ausgehärtet, um den ursprünglichen 250\ \mu\text{m} Durchmesser der Glasfaserbeschichtung wiederherzustellen. Dies ist für Anwendungen geeignet, bei denen Volumen und Außendurchmesser strengen Anforderungen unterliegen.
2. Hochfeste industrielle und sensorische Schutzverfahren
Bei industrieller Überwachung, Hochspannungsanwendungen und rauen Umgebungen (wie in Faser-Bragg-Gittersensor-Systemen) reichen herkömmliche Schrumpfschläuche nicht aus, um Druck- und Zuganforderungen zu erfüllen. In solchen Fällen werden typischerweise nahtlose Metallrohrbewehrungen oder schädigungsfreie Schreibtechniken kombiniert:
- Bewehrung mit nahtlosen Stahlrohren
Die Glasfaser und die Stoßstelle werden durch nahtlose Edelstahlrohre metallisch geschützt, um externe Biege- und Quetschkräfte vollständig abzuschirmen. Beispiele hierfür sind:
OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- Hochfeste schädigungsfreie Verarbeitung (Reduzierung von Schwachstellen an der Quelle)
Für Sensorbauteile wie Faser-Bragg-Gitter (FBG) kann die Femtosekunden-Laser-Schreibtechnologie verwendet werden, um das Gitter Punkt für Punkt direkt durch die Beschichtung in den Faserkern zu schreiben. Dies erfordert kein Entfernen der Schutzschicht oder Schweißen, wodurch die hohe Zugfestigkeit der ursprünglichen Faser vollständig erhalten bleibt:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
