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EuroWire – Juli 2008
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technischer artikel
2.1 Durch thermische Spannung
verursachte Kavitäten
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.
Basierend
auf
der
Theorie
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.
Die
drei
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
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
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.
Ein
weiteres
Beispiel
über
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 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)
Bild 4
▲
▲
:
Kavitäten in der Primärbeschichtungslage
durch Temperaturzyklen in einer 500µm Faser (links)
40x (rechts) 200x verursacht
Bild 5
▲
▲
:
Ein schematisches Diagramm der
örtlich begrenzten Zugbeanspruchungen in der
Primärbeschichtung
durch
eine
mechanische
seitliche Kraft
Bild 6
▲
▲
:
Durchschnittliche normale Spannung in der
Primärbeschichtunglage, durch eine mechanische
seitliche Kraft verursacht, die mit der Finite-Element-
Analyse berechnet wird
Temperatur (ºC)
245 μm Faser
500 μm Faser
Zugbeanspruchung
Zugbeanspruchung
Zugbeanspruchung in der Primärbeschichtung (MPa)