CC BY
16DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-313-314
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ
СИСТЕМЫ AGBR-AGI
Пестерева П.В., Южакова А.А.' Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Корсаков А.С.,
Жукова Л.В.
Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург E-mail: [email protected]
Изготовление волокон на основе галогенидов серебра и таллия (I) осуществляется по методу экструзии. Данный процесс широко известен для многих пластичных материалов, однако для всех новых соединений, в том числе кристаллических, подбор параметров процесса экструзии осуществляется экспериментально. В Уральском федеральном университете сотрудниками Научной лаборатории Волоконных технологий и фотоники была уточнена фазовая диаграмма кристаллов AgBr - Agi и получены монокристаллы с содержанием до 36 мол. % Agi в AgBr [1]. Исследование свойств данных кристаллов показало их высокую прозрачность в диапазоне от 0,5 до 42,0 мкм, негигроскопичность, высокую пластичность. Совокупность данных свойств делает кристаллы системы AgBr-AgI перспективными для изготовления волоконных световодов.
Световоды на основе галогенидов серебра являются перспективными поликристаллическими волокнами для передачи среднего инфракрасного (ИК) излучения в диапазоне длин волн от 2,0 до 25,0 мкм [2]. Изготовление таких поликристаллических волокон осуществляется методом экструзии посредством обратного прессования [3]. При экструзии заготовку закладывают в глухой контейнер, при прессовании она остается неподвижной, а истечение материала происходит в направлении, обратном движению давящего на заготовку плунжера, через фильеру с внутренним диаметром, соответствующим диаметру волокна. Для обратного прессования не требуется больших усилий, граница раздела сердцевины и оболочки является регулярной по длине волокна, пресс-остаток составляет от 5 до 7%.
В целях сокращения материальных и временных затрат в процесс производства оптических волокон был введен этап компьютерного моделирования. Моделирование экструзии волокна помогает визуализировать распределение давления на фильеру, определить оптимальную скорость вытягивания, проанализировать температуру нагрева фильеры и заготовки, оптимизировать скорость экструзии для получения однородной границы раздела в двухслойных и микроструктурированных волокнах, таким образом оценить функциональные параметры волокна еще до того, как началось его вытягивание. Данная работа посвящена симуляции процесса экструзии одно- и двухслойных световодов на основе кристаллов системы твердых растворов AgBr - AgI.
Для моделирования экструзии данных ИК световодов использовался метод конечных элементов. Традиционные подходы в симуляции методами конечных элементов подразумевают разделение всего моделируемого объекта на кластеры треугольной (для плоских элементов или граней) или тетраэдральной (для объемных объектов) формы. При симуляции процесса экструзии ИК световодов для снижения объема требуемой вычислительной мощности в качестве моделируемых объектов были приняты только контейнер, фильеры и заготовка с экструдированным световодом. При этом давящий на заготовку плунжер, прочие элементы пресса и нагреватели задавались нагрузками или внешними воздействиями. Температура в точке контейнера, контактирующей с горячим спаем термопары, а также граница заготовки и контейнера задавались точечным и граничным условием путем введения дополнительных физических надстроек.
Входные параметры симуляции задаются предварительно в виде таблицы переменных для возможности корректировки и оптимизации модели. Основными параметрами являются физические параметры заготовки и оболочки (плотность, теплоемкость), температуры для заготовки и контейнера, а также скорость вытягивания волокна и давление, создаваемое плунжером. Для экструзии двухслойного инфракрасного световода в качестве сердцевины взяли кристалл составом 15 мас. % AgBr и Agi, а для оболочки - 10% Agi в AgBr. Фильеры взяты на основе сплава титана ВТ3-1. Для пограничного слоя свойства сплава были изменены (подобрана температура). Для корректной симуляции использовались три раздела физики: теплопередача (от контейнера к заготовке), гидродинамика (ламинарное «истечение» волокна при экструзии) и механика твердого тела (оценка нагрузок на контейнер и фильеру).
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected] 313
а)
б)
П-
J
В результате моделирования были получены распределение температуры по всем объектам (рис.1а), давление на фильеру и контейнер (рис.1б), показано влияние скорости движения плунжера на качество границы раздела сердцевины и оболочки (рис.1в, 1г). Для определения оптимальной скорости движения плунжера были рассмотрены следующие значения: 0,2, 0,3, 0,5, 1,0 мм/мин. Отображение и анализ результатов моделирования производились в поперечном сечении экструдированного волокна при изменении z-координаты.
По результатам моделирования было выявлено, что при увеличении скорости движения плунжера граница раздела между сердцевиной и оболочкой волокна становится более гладкой, что означает высокую однородность структуры по длине световода. Однако высокие скорости приводят к росту напряжения в металле фильеры и контейнера и высокому градиенту температурного поля. Также ограничение по скоростям экструзии связано с функциональными
особенностями гидравлического пресса ПОИ-500 и требованиями по безопасности при работе с оборудованием. Таким образом для экструзии однослойных световодов была выбрана скорость 0,5 мм/мин для двухслойных - 1 мм/мин. Температура заготовки принята равной 180 °С, независимо от структуры световода. Данное значение температуры позволяет размягчить кристаллы системы AgBr-AgI достаточно для проведения экструзии световода.
Верификация результатов моделирования с экспериментальными даны-ми проводилась непосредственно при самой экструзии однослойных световодов. Реальная скорость движения плунжера составила 0,45-0,50 мм/мин, температура заготовки 178-180°С. Длина полученных световодов составила 0,52,0 м, диаметр 525 мкм, диапазон пропускания от 3 до 25 мкм. Первые результаты по изготовлению новых световодов на основе кристаллов твердых растворов AgBr - AgI с применением компьютерного моделирования показа-
в)
Slice: Velocity magnitude (m/s)
Г)
а*«?*
-
1 и
14 2
12
10
8 0
6
•
■
1
Рис. 1. Результаты моделирования экструзии двухслойных световодов при скорости вытягивания
0,5 мм/мин: а) распределение температуры по заготовке, контейнеру и фильере, б) напряжение на фильеру и контейнер, в) продольное и г) поперечные сечения распределения скоростей по заготовке и волокну
ли свою эффективность. Таким образом, данный этап целесообразно использовать при подборе параметров экструзии для изготовления новых поликристаллических световодов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-3290021.
Литература
1. Salimgareev D. et al, Opt. Mat. 114, 110903 1-8 (2021)
2. Zhukova L. V. et al. Opt. and Spectrosc. 125, 933-943 (2018)
3. Korsakov A. S. et al, J. Opt. Tech. 84, 858-863 (2017)
314............№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpress.ru [email protected]
