EoW July 2008

technischer artikel

2.1 Durch thermische Spannung verursachte Kavitäten

abnimmt bis die Primarbeschichtung T g (in der Regel ~-20ºC) erreicht wird, wenn sich die Primarbeschichtung ebenfalls in den Glaszustand umwandelt. Die berechnete Zugbeanspruchung in der Primärbeschichtung ist ~0.8 MPa bei Raumtemperatur, wie in Bild 2 dargestellt. Wegen der viskoelastischen Eigenschaft der Sekundärbeschichtung, sollte das I st - Beanspruchungsniveau niedriger sein als die berechnete Beanspruchung und allmählich abnehmen, wenn die Sekundärbeschicht- ung der Beanspruchungsentspannung bei Temperaturen von Sub-Tg unterzogen wird. [5] Während die Gefahr der Beschicht- ungskavitation durch thermische Spannung niedriger für typische zweifach beschichtete Fasern ist, sind Maßnahmen zu treffen, um bestimmte nachfolgend beschriebene Beschichtungssystemtypen auszuwerten. Die neue Entwicklungstendenz für Primärbeschichtungen besteht darin deren Modul undT g weiter zu reduzieren, um einen verbesserten Mikrobiege-Pufferschutz über einen weiten Temperaturbereich zu bieten. Bei diesem Beschichtungssystemtyp baut sich die Zugbeanspruchungweiter auf wenn die Temperatur anfängt zu sinken, dennoch bleibt die Primärbeschichtung in ihrem Gummizustand. Wie in Bild 3 dargestellt, steigt die berechnete Zugbeanspruchung linear mit der Temperaturabnahme. Die Beanspruchungsentspannung der Sekundärbeschichtung ist bei niedrigen Temperaturen außerdem viel langsamer. Neben der Gefahr der hohen thermischen Spannung, könnte auch eine niedrigere Modulprimärbeschichtung wegen ihrer niedrigen Vernetzungsdichte eher zur Kavitation neigen. Um eine hohe Kavitationsfestigkeit durch eine optimale Vernetzungsstruktur zu erreichen ist es sehr wichtig, daß die Primärbeschichtungen mit niedrigem Modul und niedriger T g sorgfältig entworfen werden. Dank der guten Kenntnis des Kavitationswiderstands von

2.1.1 Thermische Spannungen in einem zweilagigen Beschichtungssystem. Es wurde sicher verstanden, daß die thermischen Spannungen im beschichteten Faser- system vorhanden sind. [2-5] Wie in Bild 1 dargestellt, wird die dreiaxiale Spannung in der Primärbeschichtung durch die Nichtübereinstimmung zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases, der Primärbeschichtung und der Sekundärbeschichtung verursacht. der Materialmechanik, kann die dreiaxiale Beanspruchung berechnet werden, die aus Bestandteilen der Radial- σ rr , der Tangential- σ θ und der Axialspannung σ z besteht. Bild 2 zeigt die berechnete Spannungsverteil- ung in einem typischen zweilagigen Beschichtungssystem, wo die Schichtdicke der Beschichtung je 30μm entspricht, Youngs Modul E 1 =1MPa, E 2 =1GPa, line- are thermische Ausdehnungskoeffizienten α 1 =3x10 -4 /K, α 2 =1x10 -4 /K und Poisson Verhältnisse ν 1 =0,5, ν 2 =0,4. Das System ist einer Temperaturänderung von -30ºC ausgesetzt, um die Spannung im Beschichtungssystem zu simulieren, wenn die beschichtete Faser vom Ziehverfahren auf die Raumtemperatur abgekühlt wird. Obwohl die Temperatur in der Beschichtung während des UV-Aushärtens einen Höchstwert von 100ºC haben könnte, beginnt die thermische Spannung sich erst dann aufzubauen, wenn die Tempera- tur unter die Glasübergangstemperatur (T g – Glass transition temperature ) der Sekundärbeschichtung (~50ºC) sinkt. Beanspruchungsbestandteile in der Primärbeschichtung sind Zug- beanspruchungen und befinden sich alle auf demselben Niveau, wie in Bild 2 dargestellt. Das bedeutet, daß die Beanspruchung in der Primärbeschichtung bei Raumtemperatur eine hydrostatische Zugbeanspruchung ist: sie steigt während die Temperatur Basierend auf der Theorie Die drei

Bild 4 ▲ ▲ : Kavitäten in der Primärbeschichtungslage durch Temperaturzyklen in einer 500µm Faser (links) 40x (rechts) 200x verursacht

Zugbeanspruchung

Zugbeanspruchung

Bild 5 ▲ ▲ :

Ein schematisches Diagramm der örtlich begrenzten Zugbeanspruchungen in der Primärbeschichtung durch eine mechanische seitliche Kraft

UV-härtenden Beschichtungsmaterialien im Molekularniveau, kann die Entwicklung der Beschichtungssysteme ein verbessertes Mikrobiegeverhalten aufweisen, kombiniert mit einer hohen Kavitationsfestigkeit, um eine robuste Faserleistung über einen weiten Temperaturbereich zu sichern. eine hochriskante Situation in Hinblick auf die Kavitätsbildung besteht in einer Faser, die im Vergleich zu Standardschichten dickere Beschichtungslagen aufweist. Die Zugbeanspruchung in der Primärschicht einer Faser mit einer Außendurchmesserstruktur des Glases/der Beschichtung von 125/350/500μm wird berechnet und auch in Bild 3 graphisch dargestellt. Die Zugbeanspruchung in der Primär- beschichtung dieser Faser entspricht 2,8 Mal dem Beanspruchungsniveau in der Primärbeschichtung einer normal beschichteten Faser mit einem Außendurchmesser von 245μm. Daher sollten Fasern mit einer dickeren Beschichtungslage aus einer Primärbeschichtung mit einer höheren Kavitationsfestigkeit in Kombi- nation mit einer Sekundärbeschichtung bestehen, die eine schnellere Beanspruch- ungsentspannung ermöglicht. Bild 6 ▲ ▲ : Durchschnittliche normale Spannung in der Primärbeschichtunglage, durch eine mechanische seitliche Kraft verursacht, die mit der Finite-Element- Analyse berechnet wird Ein weiteres Beispiel über

Bild 3 ▼ ▼ : Berechnete thermische Spannung gegen Temperatur für eine normale 250µm Faser (unter der Vorraussetzung, daß die Spannung anfängt sich bei einer Temperatur, die unter jener der Sekundärbeschichtung mit T g ~50°C liegt, zu entwickeln)

245 μm Faser 500 μm Faser

Temperatur (ºC)

Zugbeanspruchung in der Primärbeschichtung (MPa)

67

EuroWire – Juli 2008