EoW July 2008

technischer artikel

Spannung oder eine äußere mechanische Wirkung verursacht werden kann. Die Beschichtung unterliegt dem Kohäsivbruch wenn die dreiaxiale Zugspannung die Kavitationsfestigkeit der Beschichtung überschreitet. Eine Prüfmethode wurde entwickelt, um die Kavitationsfestigkeit eines Beschichtungsmaterials quantitativ auszuwerten. Durch Verstehen des Kavitationsmechanismus der Beschichtung und Einblicke in den Kavitationswiderstand der Beschichtung, wurde es ermöglicht, Beschichtungmaterialien mit einer hohen Kavitationsfestigkeit zu entwickeln, um den beschichteten Fasern unter potentiellen thermischen und mechanischen Spannungen Robustheit zu geben. Es wurden hohe Verhältnisse zwischen Kavitationsfestigkeit und Modulen erzielt, um die erwünschten Primärbeschichtungen mit niedrigen Modulen/niedriger T g zu leisten, für einen verbesserten Mikrobiegeschutz, in Kombination mit einer hohen Kavitationsfestigkeit. n [1] D Gloge, ‘Optical-fiber Packaging and Its Influence on Fiber Straightness and Loss’, The Bell System Technical J, 54(2), 245-262 (1975) [2] W W King, ‘Thermally Induced Stresses in an Optical - Fiber Coating’, J of Lightwave Technology, 9(8), 952-953 (1991) [3] W W King and C J Aloisio, ‘Thermomechanical Mechanism for Delaminations of Polymer Coatings from Optical Fibers’, J of Electronic Packaging, 119, 133-137 (1997) [4] P L Tabaddor, C J Aloisio, C H Plagianis, C R Taylor, V Kuck and P G Simpkins, ‘Mechanics of Delamination Resistance Testing’, International Wire and Cable Symposium Proceedings, p 725 (1998) [5] C J Aloisio, WW King and R C Moore, ‘A Viscoelastic Analysis of Thermally Induced Residual Stresses in Dual Coated Optical Fibers’, International Wire and Cable Symposium Proceedings, p 139 (1995) [6] A N Gent and P B Lindley, ‘Internal Rupture of Bonded Rubber Cylinders in Tension’, Proc Roy Soc A, 249, 1958 5. Literatur

Spannungssituationen zu widerstehen, hat jedoch sein volles Potential, ein hoch robustes Beschichtungsmaterial zu werden, nicht realisiert. Andererseits zeigen die Beschichtungen C, D, E und F die gewünschten hohen Eigenschaften der Kavitationsfestigkeit. Der Modul der Beschichtung C oder der Beschichtung D ist im typischen Bereich unter den handelsüblichen Primärbeschichtungen. Jedoch ist deren Kavitationsfestigkeit derart konzipiert, daß sie ein außerordentlich hohes Niveau durch eine optimale Molekularstruktur der Vernetzungsstrukturen aufweisen. Beschichtung E hat ein mittel bis niedriges Modulniveau (kombiniert mit niedriger T g ), das entwickelt wurde um bei Monomode- sowie Multimodefaser eingesetzt zu werden. Die Kavitationsfestigkeit dieser Beschichtung befindet sich immer noch in einem sehr hohen Niveau (2,1 MPa) und ermöglicht ein hohes Verhältnis von σ cav /E’ (2.3). Die Beschichtung F bietet einen hervorragenden Mikrobiegewiderstand, der dem ultraniedrigem Modul (und der niedrigen T g ) zugeschrieben wird. Gleichzeitig wurde auch ein ausreichend hohes Niveau der Kavitationsfestigkeit (1,51 MPa) erzielt, mit einem Verhältnis von σ cav /E’, das 2,4 entspricht. Für ultraweiche Beschichtungen wie dies der Fall ist, sind besondere Maßnahmen zu treffen, um die Eigenschaft einer guten Kavitationsfestig- keit in der Beschichtungsstruktur zu integrieren. Anderenfalls besteht eine mögliche Gefahr im Falle der Entwickl- ung von Beschichtungskavitation und verschlechterter Eigenschaften der Faserdämpfung. Solche Situationen, wie z. B. jene der Beschichtung A, wo die Kavitäten bereits nach dem Ziehen in der Faser waren, können somit leicht erkannt werden. Die verborgene Gefahr liegt in Situationen, wo die Kavitäten in der Beschichtung stufenweise eine Dämpfungserhöhung im Feld bilden und verursachen können, wenn die Faser durch die Umgebungstemperaturzyklen läuft oder eine lange Zeit bei niedrigen Temperaturen bleibt, z. B. in Unterseekabeln. Ein sorgfältig entworfenes hochwertiges Beschichtungssystem trägt nicht nur zu einer erstklassigen Faserleistung bei, sondern bietet auch eine bessere langfristige Zuverlässigkeit der Lichtwellenleiter. 4. Schlußfolgerungen Die Kavitation der Primärbeschichtung wurde auf umfangreiche Weise als mögliches Ausfallverhalten in zweilagigen beschichteten Lichtwellenleitern erforscht. DieTriebkraft für die Beschichtungskavitation ist eine dreiaxiale Zugbeanspruchung, die durch eine innere thermische

Eine

Primärbeschichtung

mit

hoher

Kavitationsfestigkeit wün- schenswert, um die Robustheit der beschichteten Faser zu sichern, unter den Bedingungen der thermischen Spannung und allen potentiellen mechanischen Spannungen, die während der Verarbeit- ung, Handhabung und Verlegung im Feld erscheinen. In der Tabelle 1 sind mehrereBeispielevonPrimärbeschichtungen mit unterschiedlichem Verhalten der Kavitationsfestigkeit dargestellt. wurde anhand der im Absatz 3.1 beschriebenen Prüfmethode gemessen. Die Werte des Speichermoduls E’ bei Raumtemperatur von DMA und das Verhältnis von σ cav /E’ sind ebenfalls aufgelistet. Wie im Absatz 2.1.2 erwähnt, sollte die Kavitationsfestigkeit eines idealen Gummis (5/6)E entsprechen. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß alle Beschichtungen eine Kavitationsfestigkeit aufweisen, die höher als der entsprechende Module ist, was wiederum anzeigt, daß die Beschichtungen nicht mit der perfekten Elastizität übereinstimmen. Der Modul, der der Vernetzungsdichte der Beschichtung entspricht, spielt immer noch eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Kavitationsfestigkeit eines Beschichtungsmaterials. Jedoch kann durch einen geeigneten Molekularniveauentwurf der Polymervernetzungstruktur eine hohe Kavitationsfestigkeit erzielt werden, unabhängig vom Beschichtungsmodul. Mit anderen Worten, können ideal weiche, jedoch starke Beschichtungen mit einem hohen Verhältnis zwischen Kavitationsfestigkeit und Modul hergestellt werden. Der niedrige Modul kommt einem besseren Mikrobiegeverhalten zugute. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Beschichtung A den niedrigen Modul besitzt, jedoch ist die entsprechende Kavitationsfestigkeit auch die niedrigste (<1 MPa). In der Tat, zeigte die Faser mit dieser Beschichtung eindeutige Kavitäten die sich aus dem Kühlverfahren nach dem Faserziehen ergeben. Beschichtung B, mit einer Kavitationsfestigkeit, die 1,21 MPa entspricht, wird als stark genug betrachtet, um der thermischen Spannung zu widerstehen, auf die man während der Faserkühlung stößt. An der Faser wurde keine Kavität mit der Beschichtung B beobachtet. Theoretisch analysiert, ist dieses Niveau der Kavitationsfestigkeit ausreichend hoch im Vergleich zur berechneten ~0.8 MPa thermischen Spannung in der Primärbeschichtung. Jedoch entspricht das Verhältnis von σ cav /E’ der Beschichtung B nur 1,2, das niedrigste aller Beschichtungen. ist immer Die Kavitationsfestigkeit (σ cav )

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Dieser

Beschichtungstyp

wurde

als

geeignet

betrachtet,

den

normalen

70

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