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Die Erfindung bezieht sich auf die Schaffung von Beschichtungen
auf der Oberfläche von Glasfasern, insbesondere, jedoch nicht
notwendigerweise ausschließlich auf der Oberfläche einer frisch
gezogenen lichtleitfaser, die durch ein Verfahren hergestellt
wurde, das die Dampfabscheidung von Silika umfaßt.
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Es ist gut bekannt, daß die anfängliche Zugfestigkeit einer
frisch gezogenen Silika- oder Quarzglas-Lichtleitfaser in
erheblichem Ausmaß verschlechtert wird, wenn die Oberfläche der
Faser nicht nahezu unmittelbar geschützt wird. Aus diesem Grunde
werden viele Silika-Lichtleitfasern mit einer
Kunststoffbeschichtung versehen, wobei eine Beschichtungsvorrichtung
verwendet wird, die unmittelbar unter der
Lichtleitfaser-Ziehvorrichtung angeordnet ist und im gleichzeitigen Betrieb mit dem
Ziehvorgang betrieben wird. Für viele Anwendungen ist der
Schutz, der der ursprünglichen Glasoberfläche der Lichtleitfaser
durch die auf diese Weise geschaffene
Kunststoff-Schutzbeschichtung gegeben wird, ausreichend. Für manche Anwendungen gilt dies
jedoch nicht. Dies ergibt sich typischerweise daraus, daß
Kunststoffüberzüge für Wasser nicht ausreichend undurchdringlich
sind, und daß das Vorhandensein von Wasser an der
Glasfaseroberfläche besonders stark eine Verringerung der Zugfestigkeit
aufgrund einer Spannungskorrosion hervorruft. zusätzlich kann
festgestellt werden, daß Kunststoff-Schutzbeschichtungen einen
unzureichenden Widerstand gegen eine Durchdringung durch
Wasserstoff ergeben. Für viele Anwendungen ist eine Sperre gegen das
Eindringen von Wasserstoff nützlich, und zwar hauptsächlich
aufgrund der relativ starken optischen Absorbtionsbänder, die an
unzweckmäßigen Bereichen des optischen Spektrums auftreten und
durch das Vorhandensein von Wasserstoff hervorgerufen werden.
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In dem US-Patent 4 183 621, auf das verwiesen wird, wird eine
Konstruktion einer beschichteten Lichtleitfaser beschrieben,
bei der die Glasoberfläche einer Silika-Lichtleitfaser init einer
Kohlenstoffsperrschicht versehen ist, die für Feuchtigkeit
undurchdringlich ist. Die Beschichtungsverfahren, die hier
vorgeschlagen werden umfassen das Hindurchführen der Faser durch
eine kollodiale Suspension von Kohlenstoffteilchen und die
nachfolgende Erhitzung des abgeschiedenen Kohlenstoffs, eine
Plasmabeschichtung, ein chemisches Aufdampfen, eine Vakuumverdampfung
und eine Pyrolyse in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre
eines Kohlenwasserstoffes, wie zum Beispiel Methan.
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Das US-Patent 4 575 436 bezieht sich ebenfalls auf die Schaffung
hermetischer Beschichtungen auf Lichtleitfasern, und dieses
Patent befaßt sich insbesondere mit der Schaffung von
Beschichtungen durch chemisches Aufdampfen mit heterogener
Kristallisation (HNCVD), wobei die Abscheidungsreaktion an der Oberfläche
der Glasfaser als Ergebnis ihrer hohen Temperatur eingeleitet
wird. Diese hohe Temperatur kann dadurch erreicht werden, daß
die Beschichtungs-Aufdampfkammer relativ nahe unterhalb des
Lichtleitfaser-ziehofens angeordnet wird, so daß die
Lichtleitfaser in die Aufdampfkammer sehr kurz nach dem Verlassen des
Ziehofens eintritt. Wie in der veröffentlichten europäischen
Anmeldung 0 308 143 festgestellt wird, erwähnt die
US-Patentschrift 4 575 636 nicht die Abscheidung von hermetischen
Beschichtungen aus Kohlenstoff. Die EP-A-0 308 143 gibt an, daß
eine Anzahl von unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen bei einer
chemischen Aufdampfreaktion mit heterogener Kristallisation
verwendet werden können, um eine Kohlenstoffbeschichtung auf
einer Lichtleitfaser zu erzeugen, wobei als spezielles Beispiel
die Verwendung von Azetylen für diesen Zweck angegeben ist.
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Es ist äußerst wünschenswert, daß eine derartige
Kohlenstoffschicht auf eine frisch gezogene Lichtleitfaser aufgebracht
wird, bevor sie mit irgendeiner festen Oberfläche in Berührung
kommt, weil eine Berührung mit einer derartigen Oberfläche die
Lichtleitfaser-Festigkeit beeinträchtigt. Wenn die Faser keine
feste Oberfläche vor der Beschichtung berühren soll, so muß die
Beschichtung der frisch aus dem Faserrohling gezogenen Faser in
dem Raum erfolgen, der zwischen der Unterseite der Ziehzone und
der ersten Stelle liegt, an der die Faser ihre Richtung ändert,
entweder als Ergebnis des Aufwickelns auf die Oberfläche einer
Aufwickeltrommel oder als Ergebnis der Ablenkung um irgendeine
Form einer Führungsrolle. Ein Teil dieses Raumes kann auch für
das Aufbringen und die Aushärtung einer
Kunststoff-Schutzbeschichtung für die Faser erforderlich sein. Der zur Verfügung
stehende Raum für die Beschichtung mit Kohlenstoff ist daher
typischerweise stark begrenzt, was andererseits bedeutet, daß
der Beschichtungswirkungsgrad ein kritischer Parameter ist,
wenn eine ausreichende Tiefe an undurchdringlichem Kohlenstoff
in dem zur Verfügung stehenden Raum abgeschieden werden soll. in
diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Verweilzeit irgendeines
Abschnittes der Faser in dem für die Beschichtung zur Verfügung
stehenden Raum verringert wird, wenn die Ziehgeschwindigkeit
vergrößert wird. Bei der Herstellung einer undurchdringlichen
Kohlenstoffbeschichtung ist daher davon auszugehen, daß Probleme
bei der Erzielung einer ausreichenden Beschichtungstiefe in der
zur Verfügung stehenden Zeit und dem zur Verfügung stehenden
Raum auftreten. Überraschend wurde festgestellt, daß die
Abscheidungsgeschwindigkeit und damit die Dicke der Beschichtung,
die sich bei einem bestimmten Satz von Abscheidungsbedingungen
ergibt, in deutlichem Ausmaß von dem Kohlenwasserstoff abhängt,
der als Quellenmaterial für die Kohlenstoffbeschichtung
verwendet wird. In einem speziellen Fall wurde unter Verwendung einer
Ziehgeschwindigkeit von 20 Metern pro Minute eine
Beschichtungsdicke von weniger als 1,6 nm unter Verwendung von Methan in
einem Reaktor mit einer Länge von 600 mm erzielt. Dies steht im
Gegensatz zur Erzielung einer Beschichtungsstärke von 108 nm bei
Verwendung eines speziellen Kohlenwasserstoffs anstelle des
Methans ohne Änderung einer anderen der Abscheidungsbedingungen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Schaffung einer Glasfaser mit einer Kohlenstoffglasbeschichtung
geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung
zumindestens hauptsächlich durch die Pyrolyse von Propadien
hergestellt ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform des Abscheidungsverfahrens
besteht in einem eine heterogene Kristallisation ergebenden
chemischen Aufdampfverfahren (HNCVD-Verfahren), das dadurch
eingeleitet wird, daß eine erhitzte Faser durch die
Aufdampfkammer geführt wird. Die Beschichtung wird vorzugsweise auf
eine frisch hergestellte Faser unmittelbar nachdem diese von
dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Rohling gezogen
wurde, aufgebracht. Unter diesen Umständen ist es allgemein
zweckmäßig, die Aufdampfkammer eng unter dem Ziehofen
anzuordnen, so daß das HNCVD-Verfahren durch die verbleibende Hitze
von dem Ziehofen eingeleitet wird, wodurch die Notwendigkeit
einer zusätzlichen Heizung vermieden wird. Ein Merkmal diese
Verwendung der Wärme des Ziehofens besteht darin, daß bei einer
vorgegebenen Länge der Aufdampfkammer die Beschichtungsstärke
mit zunehmender Faserziehgeschwindigkeit vergrößert wird, weil
die Faser tiefer in die Kammer hineingefüehrt wird, bevor sie
Zeit hat, sich auf die Temperatur abzukühlen, bei der das
Aufdampfen effektiv beendet wird. Ein allgemeines Merkmal der
Verwendung von HNCVD zur Erzeugung von
Kohlenstoffglasbeschichtungen auf Silika-Fasern besteht darin, daß die Beschichtung
eine in Radialrichtung gradierte Struktur aufweist, wobei der
innenliegende Abschnitt der Beschichtung bei der höchsten
Temperatur auftritt und die nachfolgenden Abschnitte bei
fortschreitend niedrigeren Temperaturen abgeschieden werden. Als
Ergebnis einer fehlenden Übereinstimmung der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kohlenstoffglas und dem
darunterliegenden Silika ist es wahrscheinlich, daß der
Kohlenstoff in der Ebene der Kohlenstoffbeschichtung einen
Spannungspegel annimmt, der im wesentlichen durch die
Abscheidungstemperatur bestimmt ist. Der Wert dieser 'Eigen'-Spannung begrenzt
das Ausmaß der zusätzlichen von außen angelegten Beanspruchung,
die tolerierbar ist, und er bestimmt weiterhin die Rate, mit der
irgendeine Spannungkorrosionserscheinung an der eigenen
Oberfläche der Beschichtung fortschreiten kann. Unter diesen
Umständen muß daher die radiale Gradierung als vorteilhaft
angesehen werden, weil zu erwarten ist, daß die Spannung in der
Beschichtung hinsichtlich ihrer Größe über die Stärke der
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Beschichtung von der innenoberfläche zur Außenoberfläche hin
abnimmt.
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Es folgt eine Beschreibung einer experimentellen Vorrichtung,
die zur Schaffung einer Kohlenstoffglasbeschichtung auf einer
Silika-Lichtleitfaser gleichzeitig mit deren Ziehen von einem
Rohling verwendet wird, während dieser Rohling fortschreitend
in einen Faserziehofen abgesenkt wird. Hierauf folgen
vergleichende Einzelheiten von Ergebnissen, die mit unterschiedlichen
Aufdampf-Reaktionsmitteln und -Bedingungen erzielt wurden.
Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen
und Tabellen, in denen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung der
Beschichtungsvorrichtung ist,
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Tabelle 1 eine Tabelle ist, die einen Vergleich des
Beschichtungswirkungsgrades unter Verwendung
verschiedener chemischer Reaktionsmittel ergibt,
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Tabelle 2 eine Tabelle ist, die Ergebnisse zeigt, die
bei unterschiedlichen Beschichtungsbedingungen erzielt
wurden, und
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Tabelle 3 Ergebnisse, die unter Verwendung von Azetylen
erzielt wurden, mit denen gegenüberstellt, bei denen
Propadien verwendet wurde.
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Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist zu erkennen, daß die
experimentelle Kohlenstoffglas-Beschichtungsvorrichtung direkt an der
Unterseite eines üblichen silika-Lichtleitfaser-Ziehofens 1
befestigt ist. in diesem Ziehofen wird das untere Ende eines
Lichtleitfaser-Rohlings 2 zu einer Faser 3 gezogen, während
dieser Rohling fortschreitend in den Ofen abgesenkt wird. Am
unteren Ende des Ziehofens 1 gelangt die Faser direkt durch ein
HNCVD-Reaktionsmittel-Zufuhrsystem 4 in ein Reaktionsrohr 5, das
von einem Rohrofen 6 umgeben ist. Das Reaktionsrohr ist 600 mm
lang und weist einen innendurchmesser von 22 mm auf.
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Das Reaktionsmittel-Zufuhrsystem 4 weist eine Tandem-Anordnung
mit zwei ringförmigen Kammern 7 und 8 mit getrennten
Zufuhrrohren 9 und 10 und kreisringförmigen Auslaßöffnungen 11 und 12
auf, die die Faser 3 umgeben. Zwei Kammern wurden bei diese
Vorrichtung vorgesehen, um die Möglichkeit einer unabhängigen
Steuerung der gleichzeitigen Zuführung von zwei
unterschiedlichen Reaktionsmitteln an das Reaktionsrohr zu erzielen. Die
Verwendung von unterschiedlichen Reaktionsmitteln kann bei der
Herstellung einer Beschichtung Anwendung finden, die einen
äußeren Teil mit etwas anderer Struktur als ein innerer Teil
aufweist, der in direkter Berührung mit dem darunterliegenden
Glas steht. Für viele Anwendungen ist jedoch lediglich ein
Reaktionsmittel erforderlich, wobei in diesem Fall lediglich
eine der Kammern verwendet wird.
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Am unteren Ende des Reaktionsrohres 5 ist eine Tandemanordnung
von eine erste und eine zweite Stufe bildenden
Abgassammelleitungen 13 und 14 mit einer dazwischenliegenden
berührungsfreien Dichtung 15 angeordnet. Die aus der die zweite Stufe
bildenden Auslaßsammelleitung austretende Faser 3 durchläuft
eine unmittelbar anschließende Polymer-Beschichtungs- und
Aushärtungsstufe (wobei die Aushärtestufe nicht gezeigt ist) und
gelangt dann zu einer (nicht gezeigten) Aufwickeltrommel, wobei
die Drehgeschwindigkeit dieser Aufwickeltrommel die
Faserziehgeschwindigkeit steuert. Irgendein unverbrauchtes
Reaktionsmittel, das über die erste Auslaßammelleitung abgegeben wird,
wird beim Durchlaufen der Auslaßsammelleitung durch Öfen 16
porolysiert, bevor die Abgase mit denen von der zweiten
Auslaßsammelleitung gemischt und einem (nicht gezeigten) Abzug
zugeführt werden. Die berührungsfreie Dichtung 15 ist von der in
der GB-A-2 159 812 beschriebenen Art und umfaßt zwei Rücken an
Rücken angeordnete Luftbewegungseinrichtungen 16, 17. Diese
Dichtung ermöglicht es, daß die nunmehr mit Kohlenstoffglas
beschichtete Faser 3a aus der Kohlenstoffglas-Beschichtungsvor
richtung ohne mechanische Berührung mit irgendeiner Oberfläche
austreten kann, während gleichzeitig das
Beschichtungs-Reaktionsmittel zurückgehalten und der Luftzutritt verhindert wird.
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Wahlweise kann die Faser 3a unmittelbar mit einer Kunststoff-
Schutzbeschichtung versehen werden, beispielsweise dadurch, daß
sie durch einen Beschichtungskonus 18 geführt wird, der ein
Kunststoffmaterial 19 enthält. Die mit Kunststoff beschichtete
Faser 3b, die aus dem Konus 19 austritt, wird dann durch in
dieser Figur nicht gezeigte Einrichtungen ausgehärtet.
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Weil eine heterogene Abscheidung erwünscht ist, muß die
Temperatur des Reaktionsofens unterhalb der Temperatur gehalten
werden, bei der die entsprechende homogene Gasphasenreaktion
mit irgendeiner wesentlichen Rate verläuft. Andererseits sollte
die Temperatur der Reaktionsmittel in dem Reaktionsrohr so hoch
wie möglich gehalten werden, um die Energie zu einem Minimum
zu machen, die von der heißen Faser abgeleitet werden muß, um
die erforderliche heterogene Abscheidung zu fördern.
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Die Reaktionsofen-Temperatur ist nicht der einzige Parameter
zur Beeinflussung der Dicke des Kohlenstoffglases, das auf die
Faser beim Durchlaufen des Reaktionsrohres 5 abgeschieden wird.
Es ist zu erkennen, daß auch die Anfangstemperatur der Faser
beim Eintritt in das Rohr von Bedeutung ist, und zwar ebenso
wie die Fasergröße. Alle weiter unten angegebenen Ergebnisse
beziehen sich auf eine Faser, die auf einen Durchmesser von
1,25 ± 2 um gezogen wurde. Es wurde festgestellt, daß die
Temperatur der Faser beim Eintritt in das Reaktionsrohr 5
teilweise von der Faserziehgeschwindigkeit und teilweise von der
Durchflußmenge abhängt, auf die die Argonspülung durch den
Ziehofen eingestellt ist. Es ist zu erkennen, daß die Temperatur
der Faser beim Eintritt in das Reaktionsrohr sich der
Spitzentemperatur des Ziehofens um so mehr nähert, je höher die
Faserziehgeschwindigkeit ist. Die Argonspülung des Ziehofens
beeinflußt die Temperatur, weil die Argonspülung über das
Reaktionsrohr ausströmt. Bei normalen Spülmengen vergrößert eine
Vergrößerung der Durchflußmenge die Wärmeübertragung von dem
Ziehofen auf das Reaktionsrohr und ist entsprechend mit einer
Vergrößerung der Temperatur der Faser beim Eintritt in das
Reaktionsrohr verbunden. Im Prinzip könnte die
Spüldurchflußmenge bis zu einem Pukt vergrößert werden, an dem sie so schnell
ist, daß sie nicht mehr genug Wärme beim Durchlaufen durch den
Ziehofen aufnehmen kann, wobei in diesem Fall eine weitere
Vergrößerung der Spüldurchflußmenge eine Verringerung der
Fasereintrittetemperatur hervorrufen würde.
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Die Ziehgeschwindigkeit ist ebenfalls ein wichtiger Faktor bei
der Bestimmung der Dicke des Kohlenstoffglases, das auf der
Faser beim Durchlaufen durch das Reaktionsrohr 5 abgeschieden
wird. Ein Merkmal der Verwendung relativ hoher
Ziehgeschwindigkeiten besteht darin, daß sich kein zu starker Abfall der
Temperatur der Faser zwischen dem Verlassen des Ziehofens und
dem Eintritt in das Reaktionsrohr ergibt, selbst wenn das obere
Ende des Reaktionsrohres in einem gewissen Abstand von der
Unterseite des Ziehofens angeordnet ist. Unter diesem
Bedingungen ist ist möglich, die Vorrichtung nach Fig. 1 so zu
modifizieren, daß zumindestens der größte Teil der Argonspülung von
einem (nicht gezeigten) Rohr abgeleitet wird, das sich zwischen
dem Ziehofen und dem Reaktionsrohr erstreckt, so daß die
Argonspülung nicht in wesenlichem Ausmaß als Verdünnung für das
Reaktionsgas in dem Reaktionsrohr wirkt. Zusätzlich verlängert
eine Vergrößerung der Ziehgeschwindigkeit die Strecke, über die
irgendein Abschnitt der Faser in das Reaktionsrohr eindringt,
bevor dieser Abschnitt bis zu einem Punkt abgekühlt ist, bei
dem er nicht mehr heiß genug ist, um irgendeine weitere
heterogene Abscheidung einzuleiten. Im allgemeinen bedeutet diese
größere Strecke, daß die Faser einer größeren Menge an
Reaktionsmittel in dem Reaktionsrohr ausgesetzt ist, woraus eine
größere Dicke der Abscheidung oder Beschichtung resultiert.
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Zusätzlich zu den vorstehenden Faktoren wurde festgestellt, daß
die Wahl des Reaktionsmittelgases eine deutliche Wirkung auf
die Abscheidungsrate hat. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer
vergleichenden Analyse der Abscheidungsrate, die sich bei der
Verwendung verschiedener unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe
ergibt, die nicht mehr als vier Kohlenstoffatome pro Molekül
haben. Die Tabelle gibt eine Liste der Beschichtungsdicken, die
mit zwei unterschiedlichen Durchflußmengen des Reaktionsmittels
erzielt werden, nämlich 3,5 Liter pro Minute und 8,0 Liter pro
Minute. im Fall von Azetylen betrug die
Reaktionsmittel-Durchflußmenge lediglich zwei Liter pro Minute. Die Beschichtungen
wurden auf einer Faser mit einem Durchmesser von 1,25 um
ausgebildet, die von einem Rohling mit einer Rate von 20 m/min
gezogen wurde. Die Durchflußmenge der Argonspülung durch den
Ziehofen wurde auf 4,6 Liter pro Minute eingestellt, und die
Temperatur des Ofens, der das Reaktionsrohr 5 umgibt, wurde auf
800ºC gehalten. Die Beschichtungsdicke wurde aus einer Messung
der beschichteten Faser auf der Grundlage der Annahme berechnet,
daß spezifische Widerstand der Kohlenstoffbeschichtung
1,2 x 10&supmin;&sup5; Ωm beträgt. Dieser Wert des spezifischen
Widerstandes wurde seinerseits als Mittelwert aus einer Auger-Analyse
und Elektronenabtastmikroskopmessungen der Beschichtungsdicke
von Probenlängen der beschichteten Fasern und entsprechenden
Messungen des Widerstandes pro Einheitslänge ermittelt (die
Geräte, die zur Messung des Widerstandes pro Einheitslänge der
Beschichtung verwendet wurden, waren in der Lage, Messungen bis
zu einem Wert von ungefähr 2MΩ pro Meter zu liefern, was einer
Beschichtungsdichte bis herunter zu ungefähr 1,6 nm entspricht).
Die Tabelle zeigt eine beträchtliche Vergrößerung des
Beschichtungswirkungsgrades, wenn die niedrigere Reaktionsmittel-
Durchflußmenge im Fall von Iso-Butan, 1-Butan, Isobuten,
Azetylen und Propadien verwendet wurde. Der
Beschichtungswirkungsgrad, der im Fall der ungesättigten Elemente der Gruppe
größer ist, ist besonders groß im Fall der Beispiele mit zwei
ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, nämlich im Fall
von Azetylen und Propadien, wobei der Beschichtungswirkungsgrad,
der sich bei der Verwendung von Propadien ergibt, sehr
beträchtlich größer als der ist, der sich bei der Verwendung von
Azetylen ergibt. Mit einer Ausnahme wurde festgestellt, daß in
jedem Fall, in dem die Beschichtungstiefe, die mit der höheren
Reaktionsmittel-Durchflußmenge erzielt wurde, größer als die
minimale Meßgrenze von 1,6 nm war, die Verwendung der höheren
Reaktionsmittel-Durchflußmenge mit einer vergrößerten
Abscheidu ngstiefe verbunden war. Der Grund für den unnormalen Effekt,
der bei der Verwendung von 1-Buten beobachtet wurde, ist nicht
vollständig verständlich, es wird jedoch angenommen, daß er in
irgendeiner Weise mit dem vergrößerten Ausmaß der Abschreckung
in Verbindung steht, die sich durch die größere Durchflußmenge
der kalten Reaktionsmittel-Gasströmung ergibt.
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Die Tabelle 1 zeigt für zwei spezielle Sätze von Abscheidungs
- oder Aufdampfbedingungen einen Vergleich der
Beschichtungsdicken, die mit unterschiedlichen Reaktionsmitteln erzeugt
werden. Es ist in keiner Weise sicher, daß einer dieser Sätze
von Abscheidungsbedingungen in irgendeiner Weise dem
Idealzustand für den Beschichtungswirkungsgrad und die
Beschichtungswirksamkeit angenähert war, so daß ein weiterer Satz von
Vergleichsversuchen bezüglich Propadien durchgeführt wurde, um
diesen Sachverhalt zu untersuchen. Einige Ergebnisse dieser
Vergleichsversuche sind in der Tabelle 2 dargestellt.
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Die Bedingungen des Beispiels 1 der Tabelle 2 sind die gleichen,
wie sie für das Beispiel mit einer Durchflußmenge von 3,5 Liter
pro Minute in Tabelle 1 angegeben sind. Der Übergang vom
Beispiel 1 der Tabelle 2 bis zum Beispiel 6 zeigt einen deutlichen
Anstieg des Beschichtungswirkungsgrades in Ausdrücken der Menge
an Kohlenstoff, die auf der Faser abgeschieden wurde, zur
Menge des verwendeten Propadiens.
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Die Tabelle 1 scheint anzudeuten, daß das nächstbeste
Reaktionsmittel nach Propadien wahrscheinlich Azetylen ist, doch ergeben
die Beispiele der Tabelle 1 keinen direkten Vergleich zwischen
diesen beiden Materialien, weil es unter den speziellen
Bedingungen hinsichtlich der verwendeten
HNCVD-Beschichtungsvorrichtung es nicht möglich war, die Acetylen-Durchflußmenge bis
zu der Durchflußmenge von 3,5 Litern pro Minute zu vergrößen,
wie sie bei den anderen Reaktionsmitteln verwendet wurde, ohne
daß eine Verbrennung des überschüssigen Azetylens in der Nähe
des Austrittspunktes des beschichteten Films aus der
Beschichtungsvorrichtung ergab.
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Die in Tabelle 3 angegebenen Ergebnisse wurden unter Verwendung
einer abgeänderten Vorrichtung gewonnen und ergeben einen
direkten Vergleich, was eine angenähert vierfache Verbesserung
des Beschichtungswirkungsgrades zeigt, wenn von Azetylen auf
Propadien übergegangen wird. Diese alternative HNCVD-Vorrichtung
war 70 cm unter dem Faserziehbereich angeordnet, wobei die
Faserziehofen-Temperatur bei 2275ºC stabilisiert war und wobei
die Faser mit einer Geschwindigkeit von 240 m/min gezogen wurde.
in dem HNCVD-Reaktionsrohr wurde die Strömung des
Reaktionsmittelgases mit einer Verdünnungsströmung aus Argon mit einer
Durchflußmenge von 2 Litern pro Minute ergänzt.
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Bei manchen Anwendungen besteht ein Hauptgrund für das
Aufbringen einer Kohlenstoffglas-Beschichtung auf eine
Lichtleitfaser darin, diese mit einem vergrößerten Widerstand gegen
Spannungskorrosion zu versehen. Der Faktor 'N' der Neigung
einer Lichtleitfaser zu einer Spanungskoorosion kann dadurch
ausgewertet werden, daß eine Anzahl von dynamischen
Zugfestigkeitsuntersuchungen bis zu einem Reißen über einen Bereich von
Dehnungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird. Fasern, die
relativ stark zu einer Spannungskorrosion neigen, weisen eine
mittlere Bruchdehnung auf, die deutlich mit einer abnehmenden
Dehnungsgeschwindigkeit absinkt, während die Bruchdehnung von
Fasern, die gegen eine Spannungskorrosion relativ stark
widerstandsfähig sind, nahezu unabhängig von der
Dehnungsgeschwindigkeit ist. Ein Abschätzwert für 'N' kann dadurch gewonnen werden,
daß der Gradient der Kurve gemessen wird, die dadurch erzeugt
wird, daß der Logarithmus der mittleren Bruchdehnung als
Funktion des Logarithmus der Dehnungsgeschwindigkeit
aufgezeichnet wird und dieser Wert gleich 1/(N + 1) gesetzt wird. 'N' ist
somit im wesentlichen ein umgekehrtes Maß des Ausmaßes, mit dem
sich die Bruchdehnung (Festigkeit) einer Faser als eine Funktion
der Dehnungsgeschwindigkeit ändert. Entsprechend sind hohe Werte
von N in diesem Zusammenhang wünschenswert.
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Um das Ausmaß des Spannungskorrosionsschutzes zu untersuchen,
der sich durch die Kohlenstoffglas-Beschichtung ergibt, die aus
Propadien unter den in dem Beispiel 3 der Tabelle 2 angegebenen
Bedingungen erzeugt wird, wurde ein Längenabschnitt einer auf
diese Weise beschichteten Lichtleitfaser mit einem Durchmesser
von 125 um von der Kohlenstoffbeschichtungsvorrichtung direkt in
eine eine offene Schale bildenden Beschichtungskonus
eingeleitet,
in dem sie direkt mit einer bei Ultraviolettlicht
aushärtenden Acrylatbeschichtung bis zu einem Gesamtdurchmesser von
250 um beschichtet wurde. Dynamische Zugfestigkeitsprüfungen
über fünf Dekaden von Dehnungsgeschwindigkeiten wurden an 0,5 m
langen Proben durchgeführt, die von diesem Längenabschnitt der
Faser genommen wurden. Aus Messungen des Mittelwertes der Proben
bei jeder Dehnungsgeschwindigkeit wurde ein berechneter Wert von
N = 695 für den Spannungskorrosions-Neigungsfaktor für die mit
Kohlenstoffglas beschichtete Faser gewonnen. Im Gegensatz hierzu
ergaben äquivalente Versuche, die an ähnlichen Proben
vorgenommen wurden, die von einem Längenabschnitt einer im wesentlichen
gleichen Faser genommen wurden, die sich von der vorstehenden
lediglich dahingehend unterschied, daß sie keine
Kohlenstoffglasbeschhichtung unter dem Acrylat aufwies, einen
Spannungskorrosions-Neigungsfaktor von N = 30.
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Für manche Anwendungen besteht der Hauptgrund für die Anwendung
einer Kohlenstoffglasbeschichtung auf einer Lichtleitfaser nicht
so sehr in deren Spannungskorrosions-Schutzeigenschaften,
sondern in der Tatsache, daß die Beschichtung eine Sperre gegen
eine Wasserstoffdiffusion ergibt. Versuche zur Untersuchung
dieses Merkmals wurden an Proben mit einer Länge von 1 km einer
mit Acrylat beschichteten Faser durchgeführt, die auf
Glaswickeln aufgewickelt waren und einer Umgebung von reinem
Wasserstoff bei einem Druck von 10 Atmosphären bei 150ºC für längere
Zeitperioden ausgesetzt waren. Diese Bedingungen dienen dazu,
eine 'beschleunigte' Nachbildung des Ergebnisses der Aufnahme
von Wasserstoff zu liefern, und diese Technik ist gut bekannt
und wird weitgehend auf dem Gebiet der Prüfung von
Lichtleitfasern verwendet. Die erhöhte Temperatur dient zur Vergrößerung
der Geschwindigkeit der Wasserstoffdiffusion, während der hohe
Druck dazu dient, den Sättigungspegel der
Wasserstoffkonzentration zu vergrößern, zu dem die Faserstruktur schließlich
gelangt.
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Eine Anzeige des Vorhandenseins und der Konzentration von
molekularem Wasserstoff, der in die Lichtleitstruktur einer
Lichtleitfaser eindiffundiert sein kann, wird dadurch erzielt,
daß die optische Dämpfung der Faser über einen geeigneten
Bereich des Spektrums gemessen wird, in dem das Vorhandensein und
die Höhe der Absorbtionsspitzen überprüft werden kann, die für
molekularen Wasserstoff charakteristisch sind. Es ist bekannt,
daß molekularer Wasserstoff Absorbtionsspitzen bei ungefähr
1244 nm und bei ungefähr 1690 nm hervorruft, und die Höhe dieser
beiden Spitzen über der spektralen Grundlinie ergibt ein Maß
der Konzentration des molekularen Wasserstoffs. Unter Verwendung
dieser Messungen ist es dann möglich, das Betriebsverhalten der
Faser unter den interessierenden Umgebungsbetriebsbedingungen zu
berechnen.
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Vergleichende Sspektralabsorbtionsuntersuchungen wurden anhand
von vier 1 km-Längen der Lichtleitfaser durchgeführt, die den
weiter oben erwähnten 'beschleunigten'
Wasserstoffdiffusionsbedingungen von 10 Atmosphären Wasserstoff bei 150º ausgesetzt
waren. Die ersten drei Längenabschnitte waren Fasern mit einem
Durchmesser von 1,25 um mit Kohlenstoffglasbeschichtungen, wie
sie unter Bezugnahme auf die Beispiele 2, 3 und 4 der Tabelle 2
beschrieben wurden, wobei sie direkt aufgebrachte UV-gehärtete
Acrylat-Beschichtungen bis zu einem Gesamtdurchmesser von 250 um
aufwiesen. Die vierte Faser, die für Vergleichszwecke gefertigt
wurde, war ein Längenabschnitt einer im wesentlichen identischen
Faser mit einem Durchmesser von 125 um, die mit einer im
wesentlichen identischen Acrylat-Beschichtung bis zii einem
Gesamtdurchmesser von 250 um versehen war, jedoch keine
Kohlenstoffglas-Beschichtung zwischen dem Glas der Faser und deren
Acrylatbeschichtung aufwies.
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Bei allen drei Beispielen der mit Kohlenstoffglas beschichteten
Faser waren die beiden Spitzen, die für molekularen Wasserstoff
charakteristisch sind, oberhalb der spektralen Grundlinie nicht
feststellbar, und zwar selbst nach Beeinflussungsperioden, die
von 400 Stunden bis zu 2900 Stunden reichten. Im Gegensatz
hierzu ergab im Fall des Beispiels der Faser ohne jede
Kohlenstoffglas-Beschichtung eine Messung der Absorbtionsspitze bei
1244 nm nach einer Beaufschlagung von 130 Stunden einen Wert
von 23 dB/km oberhalb der Grundlinie. Bei diesem speziellen
Satz von Versuchen wurden keine Messungen vor 130 Stunden
durchgeführt, doch zeigten andere Messungen an einer ähnlichen Faser
ohne jede Kohlenstoffglas-Beschichtung unter dem Acrylat bei
Spektralmessungen, daß sich eine Sättigung mit molekularem
Wasserstoff typischerweise in weniger als 10 Stunden der
Beaufschlagung ergibt.