Математическую модель процесса вытяжки кварцевых оптических волокон для анализа их устойчивости к деформации разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 4 апреля сообщает пресс-служба вуза.

В настоящее время области применения волоконных технологий достаточно широки. Его используют в волоконно-оптических линиях для быстрой и качественной связи, в навигации, медицине, нефтегазовой промышленности, геологии и в приборостроении, где используются волоконно-оптические компоненты.

Модель пермских ученых предназначена для определения стабильных режимов технологии изготовления оптических волокон. Это, в свою очередь, позволит уменьшить производственный брак, что особенно важно, учитывая высокую себестоимость производства волокна и жесткие требования, предъявляемые к точности его геометрических характеристик.

Как во всяком производственном процессе, при изготовлении оптоволокна возможны внешние возмущения, предсказать заранее которые невозможно, но которые могут отрицательно отразиться на его качестве, например, на сохранении его геометрии и оптических свойств. Модель ученых ПНИПУ учитывает влияние таких случайных воздействий.

Результаты исследования, которое было проведено в рамках программы деятельности НОЦ «Рациональное недропользование», ученые представили в статье «Математическое моделирование устойчивости полых оптических волокон к капиллярному вытягиванию», опубликованной в журнале «Algorithms» (№ 16(2), 83, 2023 год).

Оптоволокно, представляющее собой стеклянные нити, по которым можно без потерь и с высокой скоростью передавать световой сигнал на большие расстояния, имеет в настоящее время очень широкую область применения. При этом современное приборостроение остро нуждается не в обычном оптическом волокне с круглым сечением, но в световодах различной структуры, в том числе в микроструктурированном волокне, состоящем из полых кварцевых трубок-капилляров.

Старший преподаватель кафедры «Прикладная математика» Анна Деревянкина пояснила:

«Процесс изготовления оптических волокон является дорогостоящим и довольно сложным. На первом этапе необходимо расплавить кварцевый песок и сформировать из него капилляр. Затем капилляры вытягивают с помощью высокоточной механической системы — башни вытяжки — за счет чего оптоволокно превращается в тонкие нити».

В процессе производства из заготовки диаметром 2–4 см образуется волокно диаметром в несколько микрон. При этом во избежание брака необходимо сохранять оптические и геометрические характеристики волокна.

Внешние, неконтролируемые воздействия на процесс вытяжки могут снизить качество готовой продукции и даже привести к разрыву вытягиваемой нити. Для предотвращения такой возможности и была разработана математическая модель специалистов ПНИПУ.

«Характеристики получаемых кварцевых волокон зависят от множества факторов. Прежде всего, это качество заготовки, наличие в ней внутренних дефектов. Также на стабильность процесса вытяжки влияют выбранные технологические режимы производства, параметры печи, которая нагревает заготовку. Критически важным параметром является так называемая кратность вытяжки — соотношение скоростей вытягивания волокна и подачи кварцевой заготовки», — пояснила доцент кафедры «Прикладная математика», кандидат физико-математических наук Дарья Владимирова вставшие перед разработчиками модели задачи.

Ученые создали модель вытяжки капилляра, учитывающую силы инерции, вязкое трение и поверхностное натяжение, а также все виды теплопередачи, действующие при вытяжке. Разработанную модель применили для анализа устойчивости процесса вытяжки, что позволило установить, что увеличение кратности вытяжки снижает стабильность процесса и резко понижает качество получаемого волокна.

Полученные результаты прокомментировал профессор кафедры «Прикладная математика», профессор, доктор технических наук Владимир Первадчук:

«Разработанная нами модель впервые позволила определить влияние параметров нагревательного элемента — распределение температуры печи и ее радиуса — на устойчивость процесса. Также была выявлена зона нагрева, в которой формируется волокно более высокого качества. Благодаря всем этим новым результатам удалось повысить стабильность процесса вытяжки в несколько раз».

Математические модели процесса вытяжки капилляра и ее устойчивости, созданные учеными Пермского Политеха, позволят сократить брак при изготовлении оптоволокна и разработать эффективные технологические режимы производства, что, в конечном итоге, приведет к удешевлению оптоволокна при одновременном улучшении его качества.

Разработки ПНИПУ уже используются при изготовлении специальных волокон в ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Исследование ученых ПНИПУ способствует обеспечению технологического суверенитета России, отмечено в сообщении.