Не ломается ли место соединения легче, чем оригинальное волокно? Как его защитить?
tool_0:
В применениях волоконной инженерии и физической оптики механическая прочность оголенного сварного соединения оптоволокна (Bare Fusion Splice) значительно ниже, чем у исходного волокна, и оно легко подвергается хрупкому разрушению при растяжении, изгибе или сдвиговых нагрузках.
I. Физические механизмы легкого разрушения сварных соединений
- Механические повреждения и микротрещины (Micro-cracks)
Перед сваркой оптоволокна необходимо удалить защитное покрытие (например, полиакрилат или полиимид) с кварцевой оболочки с помощью стриппера. В процессе этого механического снятия покрытия микроскопическое трение о поверхность кварцевого стекла легко вызывает мелкие механические царапины и микротрещины. - Термические напряжения и поверхностная термохимическая коррозия
Локальный нагрев (примерно 1800^\circ\text{C} \sim 2000^\circ\text{C}) от дугового разряда сварочного аппарата расплавляет и реструктурирует кварцевое стекло. Однако на границе теплопередачи возникают значительные градиенты температуры, что приводит к остаточным термическим напряжениям (Residual Thermal Stress) в зоне сварки. В то же время пары воды в воздухе при высоких температурах могут вызывать коррозию обнаженной кварцевой поверхности, ускоряя распространение микротрещин. - Сравнение снижения прочности
Прочность на растяжение исходного оптоволокна (с полным покрытием и прошедшего отбор) обычно может достигать более 100\text{ kpsi} (около 0.7\text{ GPa}). Тогда как прочность на растяжение незащищенного оголенного соединения после сварки часто снижается до 20\% \sim 50\% от исходной прочности волокна или даже ниже.
II. Защита сварных соединений и инженерные решения
Чтобы сварное соединение могло выдерживать длительные механические нагрузки и воздействие окружающей среды, в инженерной практике необходимо обеспечить структурную защиту сварного соединения:
1. Общие способы инженерной защиты
- Термоусадочные гильзы для сварных соединений (Heat-shrinkable Splice Sleeves)
Наиболее распространенный стандартный метод защиты. Гильза состоит из термоусадочной внешней оболочки, термоплавкого внутреннего слоя (EVA/PE) и жесткого стержня из нержавеющей стали (или кварцевого стержня). После нагрева термоплавкий клей заполняет зазоры, вытесняя воздух, а стержень из нержавеющей стали воспринимает приложенные внешние механические нагрузки на растяжение и изгиб. - УФ-отверждаемое вторичное покрытие (UV Recoating)
На оголенный участок оптоволокна наносится вторичное покрытие из УФ-отверждаемого акрилатного или полиимидного смолы и проводится УФ-отверждение, восстанавливая исходный диаметр покрытия волокна 250\ \mu\text{m}. Этот метод подходит для случаев, где предъявляются строгие требования к объему и внешнему диаметру.
2. Промышленный и сенсорный уровень высокопрочной защиты
В системах промышленного мониторинга, при высоких деформациях и в суровых условиях эксплуатации (например, в системах волоконно-оптических датчиков на основе волоконной решетки) обычные термоусадочные гильзы недостаточны для обеспечения требуемой прочности на сжатие и растяжение. В таких случаях обычно требуется комбинирование с бесшовным металлическим бронированием или технологиями безповреждающей записи:
- Бронирование в бесшовной стальной трубе
Металлическая защита оптоволокна и соединения с помощью бесшовной стальной трубы полностью изолирует от внешних нагрузок на изгиб и сжатие. Например:
OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- Высокопрочная обработка без снятия покрытия (снижение слабых мест сварки с самого начала)
Для таких сенсорных элементов, как волоконные решетки (FBG), можно использовать технологию попиксельной записи фемтосекундным лазером, которая позволяет записывать решетку непосредственно в сердцевине через защитное покрытие, устраняя необходимость в снятии покрытия и сварке. Это позволяет полностью сохранить высокую прочность волокна на растяжение:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
