Por que a fibra óptica de grau espacial precisa passar por um longo período de cozimento em alta temperatura?
Fibras ópticas de grau espacial, antes de entrar no ambiente espacial ou em sistemas de vácuo elevado, devem passar por um longo cozimento em alta temperatura (Thermal Vacuum Bake-out / De-gassing). O objetivo principal é a desgasificação induzida por calor para controlar e reduzir a Taxa de Desgasificação a Vácuo (Vacuum Outgassing Rate) do material da fibra no ambiente de vácuo ultra-alto.
Os mecanismos de engenharia e físicos específicos são os seguintes:
I. Mecanismo Físico de Desgasificação a Vácuo (Outgassing)
Fibras ópticas convencionais são compostas de um núcleo/casca de sílica de alta pureza e uma camada de revestimento polimérico externo (como acrilato, silicone, etc.). Durante a fabricação e o armazenamento, a umidade, solventes orgânicos residuais, traços de monômeros e polímeros de baixo peso molecular são adsorvidos dentro da camada de revestimento.
Quando a fibra entra em um ambiente de vácuo ultra-alto ( \text{UHV} ) espacial, devido à drástica redução da pressão ambiente, esses compostos orgânicos voláteis (VOCs) de baixo ponto de ebulição e moléculas de água escapam continuamente da superfície da fibra e do interior da camada de revestimento, formando moléculas em fase gasosa. O cozimento prévio prolongado em alta temperatura utiliza energia térmica para acelerar o movimento térmico das moléculas, expulsando antecipadamente essas substâncias voláteis instáveis.
Os dois principais parâmetros de avaliação para as propriedades de desgasificação a vácuo de materiais espaciais são:
- Taxa Total de Perda de Massa \text{TML} (Total Mass Loss): A porcentagem de massa perdida pelo material após o teste de cozimento a vácuo. Os padrões espaciais geralmente exigem \text{TML} \le 1.0\%.
- Material Condensável Volátil \text{CVCM} (Collected Volatile Condensable Material): A porcentagem de massa dos voláteis liberados que se condensa em uma placa fria de temperatura específica. Os padrões espaciais geralmente exigem \text{CVCM} \le 0.10\%.
II. Riscos de Engenharia Essenciais Resolvidos pelo Cozimento Prolongado em Alta Temperatura
- Prevenção da “Contaminação por Deposição” em Janelas Ópticas e Dispositivos Sensíveis:
Em cargas úteis espaciais (como sistemas de comunicação a laser baseados em satélite, espectrômetros de alta precisão, sensores ópticos), os voláteis orgânicos liberados podem se condensar secundariamente em superfícies de lentes ópticas frias, espelhos, faces de extremidade de laser ou janelas de detector, formando uma fina película polimérica. Essa contaminação por deposição pode levar a uma queda acentuada na transmitância óptica, aumento da dispersão ou até mesmo à falha de todo o sistema. - Garantia do Vácuo e do Ambiente Hermético:
Dentro de componentes espaciais fechados ou semi-fechados, a desgasificação da fibra óptica libera continuamente gases, perturbando o ambiente de vácuo local. - Eliminação de Riscos de Degradação da Camada de Revestimento Orgânico:
O processo de cozimento em alta temperatura pode completar a reticulação e cura secundária da camada de revestimento polimérico, remover tensões residuais e cadeias moleculares instáveis, evitando que a camada de revestimento rache ou se descole sob o campo de temperatura alternado espacial.
III. Fibras Ópticas Especiais para Aplicações Espaciais e Componentes Complementares
Fibras ópticas convencionais com revestimento de poliacrilato têm limites de temperatura de uso mais baixos e taxas de desgasificação a vácuo mais altas, incapazes de atender aos rigorosos requisitos de pré-cozimento e vácuo espacial. Na linha de produtos da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), fibras com revestimento de poliimida de alta temperatura ou fibras metalizadas inorgânicas (revestidas de ouro) são comumente usadas para resolver o problema da desgasificação a vácuo:
1. Fibra Óptica com Revestimento de Poliimida de Alta Temperatura
O revestimento de poliimida (Polyimide) possui uma taxa de desgasificação a vácuo extremamente baixa e excelente resistência a altas temperaturas (suporta cozimento por longos períodos acima de 300\ ^\circ\text{C} e ciclos de alta/baixa temperatura), sendo a escolha predominante para sensores e comunicação por fibra óptica espacial.
OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber
2. Fibra Óptica Especial Revestida de Ouro (Sem Orgânicos, Risco Zero de Desgasificação)
Utiliza ouro metálico como camada de proteção, eliminando completamente os materiais poliméricos orgânicos e prevenindo fundamentalmente os riscos de liberação de gases orgânicos e contaminação. A faixa de temperatura suportada varia de -270\ ^\circ\text{C} a 700\ ^\circ\text{C}.
OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
3. Flange de Vedação a Vácuo para Fibra Óptica
Quando o sinal da fibra óptica precisa atravessar a parede de uma câmara de vácuo, são necessários componentes de flange de vácuo para fibra óptica com alta hermeticidade e baixa liberação de gases. O vácuo pode ser superior a 1 \times 10^{-7}\ \text{Pa} a 1 \times 10^{-9}\ \text{Pa}.
