Для безопасности, экономии ресурсов и улучшения производительности необходим постоянный мониторинг состояния зданий, мостов и рабочих механизмов конструкций. Для этого используют различные датчики, а в последнее время активно развивается направление, в котором оптоволокно применяют в качестве линии передачи данных и чувствительного элемента — части датчика, которая преобразует информацию извне в электрические сигналы. Во всех отраслях промышленности и техники отмечена тенденция к миниатюризации. Суть этого направления в том, чтобы уменьшить габариты и массу конструкций (или ее составных элементов) без потери функциональности и увеличить их точность и экономичность. Ученые Пермского Политеха выяснили, как сделать более тонкое покрытие оптоволокна, чтобы минимизировать габариты изделий и при этом сохранить качественную защиту от внешних агрессивных условий. Новый метод повышает надежность, расширяет сферу их применения и способствует развитию оптоволоконной промышленности России.
Исследование опубликовано в журнале «Polymers» (№23, 2023г). Проект выполнен в рамках государственного задания № FSNM-2023-0007.
Оптоволокно — тонкая стеклянная или пластиковая нить, которая передает данные в виде световых сигналов на большие расстояния. Ее используют для обмена информацией с высокой скоростью и без помех, что делает такие кабели одним из наиболее эффективных и надежных способов связи.
Например, оптоволокно применяют для повышения чувствительности в гироскопах — устройствах, которые определяют, как объект (квадрокоптер, робот, корабль и др.) меняет направление движения или положение в пространстве. Чем тоньше будет волокно, тем больше витков можно сделать на катушке, встроенной в гироскоп, а следовательно, увеличить точность.
Во всем мире стремятся уменьшить габариты изделий из оптоволокна, чтобы можно было располагать их даже в труднодоступных местах, и при этом сохранить их защиту от агрессивных условий, например, погодных или производственных факторов — дождь, влажность, сухость, повышенные температуры и т.д.
Ученые Пермского Политеха провели исследования в два этапа. На первом — изучили поведение стекла во время технического процесса. Этот материал — аморфный, то есть не имеет явного перехода из твёрдого состояния в жидкое. Чаще всего при моделировании учитывают только упругие свойства стекла, но итоговые результаты недостаточно верно отражают его характер в реальности. Политехники предлагают рассчитывать изменение материала с учетом вязкоупругих свойств, что точнее и максимально приближенно к настоящему производству.
— Время и температура в техническом процессе влияют на уровень остаточных технологических напряжений в материале. Чем их больше, тем лучше передача сигнала по оптоволокну, поэтому важно моделировать и отслеживать этот этап изготовления, — поясняет кандидат технических наук, заместитель директора Передовой инженерной школы Анна Каменских.
При этом работа волокна зависит не только от стеклянных составляющих, но и от полимерного покрытия. Его наносят на изделие для защиты от внешних агрессивных воздействий. Поскольку само волокно достаточно тонкое (измеряется микронами), ученые предложили уменьшать толщину покрытия, тем самым минимизировать общие габариты готового изделия.
На втором этапе исследования политехники оценили рабочие характеристики оптоволокна при двухслойном и однослойном полимерном защитном покрытии и разных вариантах его геометрии.
— Мы рассматриваем два возможных направления развития: первое — уменьшение общей толщины покрытия без потери прочностных и защитных характеристик; второе — это переход к однослойному покрытию, также с возможным снижением толщины. Главная задача — уменьшить общий итоговый габарит оптоволокна с увеличением его способности сопротивляться негативным воздействиям и нагрузкам, — комментирует полученные результаты ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анастасия Богданова.
— Результаты исследования показали, что при двух слоях с уменьшением общей толщины покрытия возникают проблемы — нижний слой начинает давить на стекло, что в итоге может приводить к сбоям передачи информации. В однослойном полимерном покрытии волокно не теряет свою пропускную способность, при этом покрытие позволяет защитить изделие от внешних воздействий. Такой вариант показал свою эффективность, — дополняет старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Ляйсан Сахабутдинова.
Ученые ПНИПУ определили, что переход к однослойным защитным полимерным покрытиям — это эффективный способ уменьшить размеры оптоволокна без потери его качества. Минимизация толщины повысит надежность и экономичность различных датчиков. Выявление нарушений во время мониторинга состояния зданий, мостов, рабочих механизмов различных конструкций станет более эффективным в труднодоступных местах за счет уменьшения габаритов изделий, что позволит своевременно принимать меры по обеспечению безопасности и требуемой надежности объектов исследования.
