Российские ученые создали новую технологию обработки оптоволокна из отечественного сырья

Статья опубликована в журнале «Прикладная фотоника».

Оптическое волокно — это тончайшая нить из кварцевого стекла, по которой передается световой сигнал. Оно используется в различных датчиках и системах управления в авиации, ракетостроении, навигационном оборудовании и энергетике. В этих приборах важна не только скорость передачи данных, но и надежность: нить должна выдерживать вибрации, перепады температур и повышенную влажность на протяжении многих лет.

Чтобы защитить волокно и придать ему необходимую жесткость и прочность, особое внимание уделяют подготовке кварцевых труб, из которых волокно изготавливается. Именно они составляют основную массу волокна (до 80–95 %) и определяют его механическую стойкость и долговечность. Любой дефект на их поверхности превращается в микротрещину, которая под нагрузкой или при воздействии влаги растет и в итоге разрушает материал.

Сейчас в международной практике для изготовления таких труб используют специальную технологию. Сначала поверхность шлифуют, чтобы снять грубые неровности. Затем обрабатывают в концентрированной кислоте, тем самым убирая микротрещины и поврежденный слой, оставшийся после механической обработки. В конце стекло обрабатывают кислородно-водородной горелкой, которая делает его поверхность идеально гладкой.

Однако этот трехступенчатый подход хорошо работает только для импортных материалов. Проблема в том, что в России тоже производят такие трубы, но из другого сырья. Но если существующую технологию применить к отечественному кварцевому стеклу, обладающему другими свойствами, то результат оказывается плохим. На поверхности остаются глубокие дефекты, что напрямую влияет на прочность и срок службы волокна. Это значит, что производители вынуждены полагаться на зарубежные материалы, что ограничивает развитие российского приборостроения.

Ученые Пермского Политеха и ПНППК создали новую технологию обработки кварцевых труб из отечественного сырья. Это позволило добиться такого же качества поверхности, как у существующих аналогов, но с меньшими затратами. При этом российское кварцевое стекло стало в 1,5 раза устойчивее к воздействию влаги и высоких температур, чем импортные образцы. Такие трубы можно будет использовать при создании различных датчиков, лазеров, систем навигации и управления.

Исследователи начали с того, что обработали по стандартной технологии образцы отечественного и импортного стекла. Изучив их под микроскопом, они выяснили, что у российского материала более хрупкая структура, и он сильнее разрушается, что необходимо учитывать при создании нового режима обработки.

Чтобы подобрать для такого стекла точные параметры, ученые провели серию экспериментов. Они сосредоточились на ключевом этапе, когда трубу помещают в кислоту. Именно от ее концентрации и времени обработки зависит, станет ли поверхность гладкой или, наоборот, покроется новыми дефектами. Они взяли отечественные образцы и постепенно меняли эти два условия, отслеживая изменения на поверхности материала.

— Опираясь на результаты эксперимента, мы разработали новую технологию обработки. Для этого изменили все ключевые параметры: снизили концентрацию кислоты в 4 раза, сократили время выдержки в растворе в 6 раз, а огневую полировку стали проводить в два раза чаще. Поскольку отечественный материал был хрупким, мы также решили использовать более слабый раствор кислоты, который не будет увеличивать дефекты, а снимет дефектный слой, — отметила Александра Бурдина, аспирантка кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, ведущий инженер-технолог ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».

Новый режим проверили на нескольких образцах труб из российского сырья. После обработки поверхность стала идеально гладкой, как у импортных аналогов. Это значит, что на ней больше нет микротрещин и неровностей, которые могли бы стать причиной разрушения волокна.

— Также мы проверили долговечность полученных образцов. Их поместили в климатическую камеру, где сымитировали тяжелые условия эксплуатации: повышенную влажность, высокую температуру и их циклические перепады. После этого проверили их прочность: у отечественного волокна этот показатель был в 1,5 раза выше, чем у импортного. Теперь их можно использовать в условиях высокой влажности и температур, где зарубежные аналоги будут быстрее терять свои свойства, — дополнил Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук, доцент.

Разработанная технология позволяет отказаться от импортных материалов в производстве оптического волокна. Теперь трубы из российского кварцевого стекла можно использовать для создания различных приборов в нефтегазовой отрасли, медицине, энергетике и транспорте, то есть везде, где нужны надежные системы контроля и измерения, работающие в сложных условиях.