Ученые Перми и Москвы изучили возможности и сроки службы волоконных световодов в медном покрытии

В нефтегазовой и химической промышленности, металлургии, электроэнергетике, медицине и машиностроении используют оптоволоконные технологии как современный способ передачи информации на дальние расстояния. Прочность и долговечность волоконных световодов во многом зависят от защитного покрытия, в качестве которого используют акрилат, полиимид и металлы. Например, оптоволокно в алюминиевом покрытии позволяет работать в жестких промышленных условиях при высоких температурах и давлении. Однако применение алюминия эффективно лишь до 350°С. Альтернативой может стать использование меди. Ученые Пермского Политеха, ПАО «Пермской научно-производственной приборостроительной компании» и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН впервые детально исследовали термическую стойкость волоконных световодов в медном покрытии и определили их срок службы в зависимости от температуры эксплуатации. Полученные результаты дают возможность прогнозировать стабильность работы оптоволокна в отечественной промышленности.

Статья опубликована в журнале «Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки», 2024 год. Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 22-29-00795): «Прогнозирование работоспособности и деградации волоконных световодов в экстремальных условиях эксплуатации».

Волоконный световод, выполненный в виде тонкой нити из кварцевого стекла, позволяет передавать большие объемы информации на дальние расстояния, используя свет как основной источник сигнала. Он состоит из сердцевины, по которой распространяется большая часть мощности оптического сигнала, оболочки и защитного покрытия.

Стойкость последнего – важнейший фактор, ограничивающий применение световодов в экстремальных условиях эксплуатации. К таким условиям можно отнести, например, ионизирующие излучение, повышенную (свыше 300°С) и пониженную температуру (ниже -70°С), водосодержащую среду и др. В большинстве случаев используют стандартные акрилатные покрытия на основе силиконовой резины или полиимидные лаковые, но они допускаются только при температуре до 85 и 350°С, соответственно. Металлические покрытия существенно расширяют область применения волоконных световодов.

Наиболее изученным металлом для покрытия оптоволокна является алюминий. Температура его плавления равна 660°С, однако в некоторых случаях (из-за химической реакции между металлом и кварцевым стеклом) возможно разрушение поверхности при более низких значениях (приблизительно 300°С), из-за чего падает прочность самого световода. Скорость деградации алюминиевого покрытия сильно зависит от температуры, например, начальная прочность снижается в 3 раза в течение 10 часов при 500°С, а при 400°С такое же ухудшение происходит через 5 месяцев.

Перспективным и подходящим материалом может стать медь, которая не вступает в реакцию с кварцевым стеклом и допускается к использованию при более высоких температурах, чем алюминий. Ученые Пермского Политеха, ПАО «ПНППК» и ИОФ РАН впервые исследовали прочность оптоволокна в медном покрытии и экспериментально выявили продолжительность его стабильной работы без образования дефектов на поверхности.

– В отличие от алюминия, на воздухе медь окисляется после нагрева при температуре 300°С, из-за чего страдает ее механическая стойкость. Однако есть ряд важных применений, где медное покрытие нельзя заменить алюминиевым. Такие условия встречаются, например, в распределительных датчиках на атомных электростанциях, в космических аппаратах с длительным сроком пребывания в вакууме при наличии радиационного излучения и в волоконно-оптических устройствах, работающих в водородосодержащей среде в нефтегазовой промышленности. Поэтому вопрос о стойкости меди при температуре на воздухе имеет серьезное практическое значение, – объясняет Максим Булатов, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Образцы испытывали в специальной камере при температурах от 500 до 600°С, после измеряли их прочность. Эксперименты показали, что с течением времени она резко снижается. Это означает появление и рост дефектов на стеклянной поверхности световода. Особенно на это влияет проникновение кислорода в структуру стекла при окислении меди на открытом воздухе.

– Мы выяснили, что возможна кратковременная эксплуатация волоконного световода в медном покрытии при температуре 600°С в течение 1,5 часов или при 500°С в течение 16 часов. В долговременной перспективе его использование при температуре 300°С возможно в течение 1,5 лет, а при температуре 250°С – в течение 17 лет, – рассказывает Максим Булатов.

Политехники отмечают, что создание на медной поверхности дополнительного защитного слоя, предотвращающего ее взаимодействие с кислородом, и испытания в бескислородной атмосфере позволят радикально повысить срок службы, а также существенно увеличить диапазон применимости таких световодов вплоть до 1000°С.

Медное покрытие при эксплуатации оптоволокна на воздухе уступает по термостойкости алюминиевому при температурах до 300°С. Однако результаты исследования ученых Пермского Политеха, ПАО «ПНППК» и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН подтвердили возможность его кратковременной эксплуатации при более высоких значениях. В таких случаях медное покрытие не имеет альтернативы.