Міністерство освіти і науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра "Електронних приладів"
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни:
"Матеріали електронної техніки"
на тему:
"Скловолокно. Технологія виготовлення"
Виконав:
ст. групи ЕЛ-11
Чарнош М. Я.
Прийняв:
Кремер І. П.
Львів 2015
Зміст
Міністерство освіти і науки України 1
Національний університет “Львівська політехніка” 1
Кафедра "Електронних приладів" 1
Зміст 2
Вступ 3
1.Властивості скловолокона 4
1. Застосування в електроніці 6
2. Технологія виготовлення 10
3. Використання скловолокна 16
4. Хімічний склад 20
5. Скловолокно – вплив на здоров’я людини 23
6. Оптичне волокно 24
Висновок 26
Список використаної літератури 31
Вступ
Скловолокно - це волокно, виготовлене з розплавленого скла. Воно має зовсім унікальне поєднання характеристик: підвищена міцність при стисненні і розтягуванні, термостійкість, негорючість, низька гігроскопічність, стійкість до хімічного і біологічного впливу. На основі матеріалів зі скловолокна виробляються різноманітні вироби, які успішно замінюють традиційні матеріали.
Наприклад, зі скловолокна виробляють матеріали з високими теплоізоляційними, електроізоляційними і звукоізоляційними властивостями, та механічною міцністю.
В залежності від сфери застосування безперервного скловолокна вимоги до його хімічного складу можуть відрізнятися. Для електричної ізоляції застосовується тільки безщілинне алюмосилікатне або алюмоборосилікатне скловолокно. Для конструкційних склопластиків беруть, як правило, безщілинне магнійалюмосілікатне або алюмоборосілікатне скловолокно. Для склопластиків невідповідального призначення можна вживати і щілиномісне скловолокно.
За механічної міцності скловолокно значно перевершує вихідне скло, хоча і незначно відрізняється від нього іншими фізичними параметрами. Механічні характеристики скловолокона безпосередньо залежать від способу виробництва, хімічного складу скла, температури і навколишнього середовища.
Найбільшу міцність має безперервне скловолокно з безщілинного і кварцового магнійалюмосілікатного скла. Підвищений вміст лугів у вихідному склі значно знижує міцність скловолокон.
Вироби з скловолокна гірше працюють при багаторазовому стиранні і вигині, однак, стійкість до такого звернення підвищується шляхом просочення скловолокна лаками і смолами. На 20-25% підвищує міцність склеювання волокон в нитці, а просочення скловолокнистих матеріалів лаками збільшує міцність на 80-100%.
1.Властивості скловолокона
Скловолокно володіє безліччю корисних функцій, серед яких виділяються наступні:
захист від холоду / спеки (це пояснюється здатністю волокон міцно утримувати повітря, та володіє відмінними теплоізоляційними властивостями і надійно захищає від холоду взимку і спеки влітку);
захист від шуму (вироби зі скловолокна володіють високими
звукопоглинальними характеристиками, чому сприяє будова матеріалу, що складається з пов'язаних один з одним волокон, проміжки між якими заповнені повітрям, що забезпечує акустичний комфорт в приміщенні).
Важливо відзначити наступні властивості скловолокна: воно як вбирає вологу, так і швидко віддає її, що дозволяє говорити про негігроскопічні матеріалу (важливо тільки, щоб в будівельній конструкції був передбачений вентиляційний зазор, який сприяє виведенню вологи з конструкції);
досить пружний матеріал, що дозволяє транспортувати його в рулонах на значні відстані, так як при розтині упаковки матеріал швидко повертається до вихідних параметрів, завдяки цьому можна істотно заощадити на транспортуванні та зберіганні;
екологічність (матеріали зі скловолокна не виділяють шкідливих речовин і безпечні для здоров'я);
завдяки обробці спеціальними складами, теплоізоляція зі скловолокна відлякує шкідників, а на її поверхні ніколи не утворюється цвіль.
У порівнянні з іншим теплоізоляційним матеріалом - мінеральною ватою - скловолокнисті вироби мають більшу міцність і відрізняються вібростійкою.
Завдяки малій щільності і великому вмісту повітря вони відрізняються малим коефіцієнтом теплопровідності.
Тепловий опір виробів зі скловолокна зберігається незмінним протягом тривалого часу. Скловолокно - настільки легкий, м'який і еластичний матеріал, що виробами з нього можна облицьовувати нерівні поверхні, його можна застосовувати в конструкціях будь-якої форми та конфігурації.
У той же час теплоізоляційні вироби з скловати відрізняються стабільністю форми, витримують старіння, не наражаючись деформації. Цей негорючий матеріал не виділяє токсичні і шкідливі речовини під впливом вогню.
Рис.1.1 Скловолокно.
Скловолокно (Рис.1.1) відноситься до класу мінеральної вати і являє собою не що інше, як розплавлене скло, з якого формується волокно, або комплексна нитка. Готовий матеріал володіє набором властивостей, які вигідно відрізняють його від скла. Так, скловолокно не б'ється, не ламається, зате відмінно гнеться і легко піддається будь-яким необхідним деформацій. Ці якості високо цінуються в сучасній промисловості. Тому в даний час налагоджено активне виробництво скловолокна.
Слід сказати, що для виробництва скловолокна використовуються ті ж матеріали, які необхідні для виготовлення скла. Це пісок, сода, доломіт, вапняк і т.д.
Застосування в електроніці
Оптоволоконний (він же волоконно-оптичний) кабель - це принципово інший тип кабелю в порівнянні з розглянутими двома типами електричного або мідного кабелю. Інформація з нього передається не електричним сигналом, а світловим. Головний його елемент - це прозоре скловолокно, по якому світло проходить на величезні відстані (до десятків кілометрів) з незначним ослабленням. Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Тільки замість центрального мідного проводу тут використовується тонке (діаметром близько 1 - 10 мкм) скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції - скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі скловолокна. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин з різними коефіцієнтами переломлення (у скляної оболонки коефіцієнт переломлення значно нижче, ніж у центрального волокна). Металева оплітка кабелю зазвичай відсутня, тому що екранування від зовнішніх електромагнітних перешкод тут не потрібно. Однак іноді її все-таки застосовують для механічного захисту від навколишнього середовища (такий кабель іноді називають броньовим, він може поєднувати під однією оболонкою декілька оптоволоконних кабелів).
Оптоволоконний кабель має виняткові характеристики по перешкодозахищеності й таємності переданої інформації. Ніякі зовнішні електромагнітні перешкоди в принципі не здатні спотворити світловий сигнал, а сам сигнал не породжує зовнішніх електромагнітних випромінювань. Підключитися до цього типу кабелю для несанкціонованого прослуховування мережі практично неможливо, тому що при цьому порушується цілісність кабелю. Теоретично можлива смуга пропущення такого кабелю досягає величини 1012 Гц, тобто 1000 ГГц, що незрівнянно вище, ніж в електричних кабелів. Вартість оптоволоконного кабелю постійно знижується й зараз приблизно дорівнює вартості тонкого коаксіального кабелю.
Типова величина загасання сигналу в оптоволоконних кабелях на частотах, використовуваних у локальних мережах, становить від 5 до 20 дб/км, що приблизно відповідає показникам електричних кабелів на низьких частотах. Але у випадку оптоволоконного кабелю при рості частоти переданого сигналу загасання збільшується дуже незначно, і на великих частотах (особливо понад 200 Мгц) його переваги перед електричним кабелем незаперечні, у нього просто немає конкурентів. Однак оптоволоконний кабель має й деякі недоліки.
Найголовніший серед них - висока складність монтажу (при установці рознімань необхідна мікронна точність, від точності відколу скловолокна й ступеня його полірування сильно залежить загасання в розніманні). Для установки рознімань застосовують зварювання або склеювання за допомогою спеціального гелю, що має такий же коефіцієнт переломлення світла, що й скловолокно. У кожному разі для цього потрібна висока кваліфікація персоналу й спеціальні інструменти. Тому найчастіше оптоволоконний кабель продається у вигляді заздалегідь нарізаних шматків різної довжини, на обох кінцях яких уже встановлені рознімання потрібного типу. Варто пам'ятати, що неякісна установка рознімання різко знижує припустиму довжину кабелю, обумовлену загасанням.
Також треба пам'ятати, що використання оптоволоконного кабелю вимагає спеціальних оптичних приймачів і передавачів, що перетворять світлові сигнали в електричні й назад, що часом істотно збільшує вартість мережі в цілому.
Оптоволоконні кабелі допускають розгалуження сигналів (для цього виробляються спеціальні пасивні розгалужувачі (couplers) на 2—8 каналів), але, як правило, їх використовують для передачі даних тільки в одному напрямку між одним передавачем й одним приймачем. Адже будь-яке розгалуження неминуче сильно послабляє світловий сигнал, і якщо розгалужень буде багато, те світло може просто не дійти до кінця мережі. Крім того, у розгалужувачі є й внутрішні втрати, так що сумарна потужність сигналу на виході менше вхідної потужності.
Оптоволоконний кабель менш міцний і гнучкий, ніж електричний. Типова величина припустимого радіуса вигину становить близько 10 - 20 див, при менших радіусах вигину центральне волокно може зламатися. Погано переносить кабель і механічне розтягання, а також роздавлюючий вплив.
Чутливий оптоволоконний кабель і до іонізуючих випромінювань, через які знижується прозорість скловолокна, тобто збільшується загасання сигналу. Різкі перепади температури також негативно позначаються на ньому, скловолокно може тріснути.
Застосовують оптоволоконний кабель тільки в мережах з топологією зірка й кільце. Ніяких проблем узгодження й заземлення в цьому випадку не існує. Кабель забезпечує ідеальну гальванічну розв'язку комп'ютерів мережі. У майбутньому цей тип кабелю, ймовірно, витисне електричні кабелі або, у всякому разі, сильно потіснить їх. Запаси міді на планеті виснажуються, а сировини для виробництва скла цілком достатньо.
Існують два різних типи оптоволоконного кабелю:
мультимодовий кабель, більш дешевий, але менш якісний;
одномодовий кабель, більше дорогий, але має кращі характеристики в порівнянні з першим.
Суть розходження між цими двома типами зводиться до різних режимів проходження світлових променів у кабелі.
В одномодовому кабелі практично всі промені проходять однаковий шлях, у результаті чого вони досягають приймача одночасно, і форма сигналу майже не спотворюється. Одномодовий кабель має діаметр центрального волокна близько 1,3 мкм і передає світло тільки з такою же довжиною хвилі (1,3 мкм). Дисперсія й втрати сигналу при цьому дуже незначні, що дозволяє передавати сигнали на значно більшу відстань, чим у випадку застосування мультимодового кабелю. Для одномодового кабелю застосовуються лазерні прийомопередавачі, що використовують світло винятково з необхідною довжиною хвилі. Такі прийомопередавачі поки ще порівняно дорогі й не довговічні. Однак у перспективі одномодовий кабель повинен стати основним типом завдяки своїм прекрасним характеристикам. До того ж лазери мають більшу швидкодію, ніж звичайні світлодіоди. Загасання сигналу в одномодовому кабелі становить близько 5 дб/км і може бути навіть знижене до 1 дб/км.
У багатомодовому кабелі траєкторії світлових променів мають помітний розкид, у результаті чого форма сигналу на прийомному кінці кабелю спотворюється. Центральне волокно має діаметр 62,5 мкм, а діаметр зовнішньої оболонки 125 мкм (це іноді позначається як 62,5/125). Для передачі використається звичайний (не лазерний) світлодіод, що знижує вартість і збільшує термін служби прийомопередавачів у порівнянні з одномодовим кабелем. Довжина хвилі світла в багатомодовому кабелі дорівнює 0,85 мкм, при цьому спостерігається розкид довжин хвиль близько 30 - 50 нм. Припустима довжина кабелю становить 2 - 5 км. Багатомодовий кабель - це основний тип оптоволоконного кабелю в цей час, тому що він дешевше й доступніше. Загасання в Багатомодовому кабелі більше, ніж в одномодовому і становить 5 - 20 дб/км.
Типова величина затримки для найпоширеніших кабелів становить близько 4-5 нс/м, що близько до величини затримки в електричних кабелях.[1]