Насколько высок уровень соли на морских побережьях, может ли покрытие оптоволокна ржаветь и корродировать, как металл?
С точки зрения материаловедения и физико-химических принципов, оптоволокно и его обычные покрытия не «ржавеют» в условиях морского солевого тумана, как металлы.
Конкретные причины и анализ физико-химических механизмов в условиях солевого тумана приведены ниже:
1. Свойства основного материала оптоволокна (диоксид кремния)
Сердцевина (Core) и оболочка (Cladding) оптоволокна в основном состоят из высокочистого диоксида кремния ( \text{SiO}_2 , стекло из кварца).
- Отсутствие механизма электрохимической коррозии металлов:
«Ржавление» по своей сути представляет собой окислительно-восстановительную реакцию в гальванических парах/электрохимических процессах, происходящих с железом или металлическими сплавами под действием воды и кислорода. Стекло из кварца относится к неметаллическим неорганическим оксидам, его химические связи чрезвычайно стабильны, и при комнатной температуре оно не вступает в химические реакции с хлоридом натрия ( \text{NaCl} ), водой или кислородом, содержащимися в солевом тумане.
2. Свойства покрытий оптоволокна
Защитные покрытия (Coating) оптоволокна, в зависимости от сценария использования, в основном делятся на полимерные покрытия и металлические покрытия:
-
Покрытие из полиакрилата (Polyacrylate):
Часто встречается в стандартных коммуникационных и сенсорных оптоволокнах (например, OFSCN® G.652D Optical Fiber ). Это высокомолекулярный органический материал, обладающий хорошей устойчивостью к кислотам, щелочам и солевому туману, он не ржавеет.
-
Покрытие из полиимида (Polyimide):
Часто встречается в специальных оптоволокнах для высоких температур и промышленного применения (например, OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber ). Он обладает чрезвычайно высокой химической инертностью, устойчивостью к химическим растворителям и воздействию солевого тумана; химическая структура покрытия не разрушается при длительном воздействии морского солевого тумана.
-
Металлическое покрытие с золотым напылением (Gold-coated):
В специальных оптоволокнах для сверхвысоких температур (например, OFSCN® Gold-coated Optical Fiber ) в качестве защитного слоя используется золото ( \text{Au} ). Поскольку золото ( \text{Au} ) является благородным металлом с чрезвычайно высокой химической стабильностью и имеет очень высокий стандартный электродный потенциал, оно также не подвергается окислительной коррозии в условиях солевого тумана.
3. Реальные физические риски в условиях солевого тумана: коррозионное растрескивание под напряжением и проникновение молекул воды
Несмотря на то, что оптоволокно и его покрытия не «ржавеют», в условиях высокой влажности и высокой солености морского побережья следует учитывать следующие физические эффекты:
- Проникновение молекул воды и статическое старение стекла (Static Fatigue):
Хотя полимерные покрытия устойчивы к коррозии, они не являются 100% абсолютным барьером для микроскопических молекул воды. Когда молекулы воды проникают на поверхность диоксида кремния на микроскопическом уровне, если оптоволокно длительное время находится под действием значительного механического напряжения изгиба или растяжения ( \sigma > 0 ), молекулы воды реагируют с гидролизом связей \text{Si}-\text{O}-\text{Si} в микротрещинах стекла (механизм коррозионного растрескивания под напряжением), что ускоряет распространение микротрещин и снижает долговечность оптоволокна. - Требования к герметичной инкапсуляции:
В суровых морских условиях и условиях эксплуатации с солевым туманом, оголенное волокно обычно требует герметичной инкапсуляции в бесшовную трубу из нержавеющей стали или внешний защитный кожух из конструкционного пластика для изоляции от проникновения влаги и снижения концентрации механических напряжений.