Московские и пермские ученые протестировали усовершенствованное оптическое волокно
Оптоволокно – основа современных линий связи. Высокая скорость и надежность позволяют использовать его в наиболее ответственных областях, энергетике, магистральных интернет-коммуникациях, медицине. Оптическое волокно дает возможность создать линию связи протяженностью в десятки, сотни, тысячи километров, что невозможно с кабелями, передающими сигнал в виде электрического импульса.
Устойчивость оптоволокна к внешним нагрузкам, механическим и климатическим, прочностные характеристики определяются, в первую очередь, защитным покрытием. Чаще всего для формирования защитного слоя применяются металлы и полимеры.
Пример – оптическое волокно с покрытием на основе алюминия, защищающим от термических воздействий, статического и динамического давления. Верхний температурный предел в данном случае – 350 градусов, увеличить его можно, заменив алюминий на медь.
Специалисты ПНИПУ (pstu.ru), при поддержке коллег из столичного Института общей физики (gpi.ru), провели тщательные тестирования оптоволокна с медным покрытием. Испытания были направлены, в первую очередь, на определение температурной прочности, установку связи между выраженностью термической нагрузки, долговечностью.
Данные, полученные в ходе исследований, помогут в разработке оптики и кабелей (в особенности моделей с бронированием и оптического дроп-кабеля), адаптированной к работе в самых сложных условиях, характерных для производственных цехов металлургической и подобных отраслей.
Актуальные разработки в оптоволокне
Оптоволокно – это тончайшие стеклянные нити, по которым сигнал передается в виде светового излучения. Конструкция волокна сформирована сердцевиной, направляющей основной поток света, оболочки, внешнего защитного слоя.
Прочность защитного слоя – важнейшая характеристика, определяющая возможность эксплуатации при повышенных нагрузках. К таким нагрузкам относится следующее:
- Ионизирующее излучение, изменяющее параметры волны, провоцирующее искажения, помехи, потери транслируемых данных;
- Высокие температуры, более 300 градусов;
- Низкие температуры, менее минуса 70 градусов;
- Влажная среда и прямой контакт с водой, провоцирующий окислительные дегенеративные процессы.
Распространенными являются покрытия на основе резины, акрилатов, полиамидов, однако, они не выдерживают термических воздействий, разрушаются уже при 85-100 градусах. Альтернатива – металл, обладающий гораздо большей температурной прочностью.
Лучше прочих изучены алюминиевые защитные покрытия для оптического волокна. В идеальных условиях, металл начинает плавиться при 660 градусах. Однако, при химических нагрузках – показатель падает до 300, что негативно сказывается на прочности оптической линии.
Другая проблема – интенсивный износ при высокотемпературных воздействиях. Например, 10-часовое 500-градусное воздействие снижает исходную прочность в 3 раза. При 400-градусной нагрузке, при этом, аналогичная деградация растянется на 5 месяцев.
Перспективная технология
Хорошей альтернативой алюминию выглядит медь. Металл не реагирует со стеклянным основанием, выдерживает более интенсивные термические нагрузки. Специалисты, представляющие Пермский Политех, ПАО “ПНППК” и ИОФ РАН, провели тщательные тесты оптического волокна с омеднением, эмпирическим методом установили его способность выдерживать экстремальную среду без структурных и поверхностных разрушений.
Максим Булатов, один из ведущих специалистов ПНИПУ, отметил склонность меди окисляться при контакте с воздухом и 300-градусном температурном воздействии. Это несколько ограничивает область применения. Например, подобные условия характерны для атомных электростанций, космической техники, оптоволоконных приборов, взаимодействующих с газовой средой, насыщенной водородом.
Опытные разработки были протестированы в особых камерах, температура в которых изменялась от 500 до 600 градусов. Испытания показали постепенную деградацию металлического слоя, приводящую к повреждению стеклянной структуры. Наиболее выраженные повреждения были обнаружены при контакте с атмосферным воздухом.
Среди результатов нужно отметить:
- Допустимая продолжительность эксплуатации при 600-градусном воздействии – полтора часа;
- При 500-градусном – 16 часов;
- 300-градусном – 1.5 года;
- 250-градусном – 17 лет.
Улучшить исходные характеристики меди можно ее дополнительной обработкой. На поверхности металла необходимо сформировать герметичный слой, препятствующий прямому контакту с кислородом. В теории, оптоволокно с таким покрытием должно уверенно выдерживать термические нагрузки до 1000 градусов, гораздо дольше служить при меньших значениях.
Термическая стойкость меди ниже, чем у алюминия, если температура не превышает 300-градусную отметку. Однако, металл лучше ведет себя при более выраженных нагрузках, которые алюминий не выдерживает, начинает активно плавиться. У омеднения есть будущее, в некоторых ситуациях оно превосходит алюминиевое покрытие.