高性能カーボンファイバー断熱材の光ファイバー分野への応用
高性能炭素繊維断熱材は、炭素繊維の高強度、低熱膨張係数、高熱伝導性、および複合材料の設計可能性の利点を組み合わせ、優れた断熱性能を備えています。これらの特性により、光ファイバー技術の重要な工程において、従来の材料の課題解決に役立ちます。
特長：
極めて低い熱膨張係数：石英ガラス光ファイバーのCTEと高度に一致し、温度変化による応力を回避し、光ファイバーの性能に影響を与えません。
高比強度/比弾性率：非常に堅牢で軽量のため、重量に敏感な過酷な環境に適しています。
優れた熱安定性と耐熱性：高温環境下でも長期にわたって安定した性能を維持します。
設計可能な異方性熱伝導/断熱性：一方の方向で高効率な熱伝導（放熱）を実現し、もう一方の方向で極限の断熱（保温）を実現できます。
耐腐食性・耐疲労性：複雑な化学環境や高振動環境に対応します。
光ファイバー引き伸ばし塔の高精度断熱体
光ファイバーのプレフォーム棒を光ファイバーに引抜く工程において、引抜炉は重要な設備です。炉内温度は2000℃を超えるため、光ファイバーの直径の均一性を確保するため（マイクロメートル単位の変動でも信号減衰を引き起こします）、極めて安定で均一な熱場が必要です。
伝統的な材料 | 炭素繊維複合断熱材 |
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発熱体と断熱スクリーンとして厚いグラファイト材料を大量に使用しています。グラファイトは脆く、高温下で継続的に酸化・消耗するため、定期的な交換が必要で、メンテナンスコストが高いです。 | 1、引張炉の断熱層に使用されています。その極めて低い熱伝導率により、熱の損失を効果的に低減し、エネルギー消費を大幅に削減します。 2、高強度と低熱膨張性を活用し、炉室の支持構造部品に加工されています。高温に耐えられ、内部のグラファイト部品とCTEが一致しているため、温度変化時に変形が一致し、熱場構造の長期的な安定性と幾何学的精度を保証し、光ファイバーの引き伸ばし品質と均一性を直接向上させます。 3、省エネ・省エネ、光ファイバーの品質向上、設備のメンテナンス周期延長 |
航空宇宙光ファイバーセンサーシステムの「保護キャビン」
航空機、衛星などの宇宙機では、翼や機体などの重要部位の応力、温度、振動をリアルタイムで監視するために光ファイバーブラッグ格子（FBG）センサーが大量に使用されています。これらのセンサーシステムは温度と機械的振動に非常に敏感です。
伝統的な材料 | 炭素繊維複合断熱材 |
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センサーは通常、露出状態または単純なゴム/金属製カバーで保護されており、極端な温度変動や激しい機械的振動に対応できません。 | 1、 この材料を使用してFBGセンサー用の微小な「保護キャビン」を製造します。その低CTE特性により、外殻が温度変化により内部の光ファイバーに圧縮や引張応力を加えることを防ぎ、測定誤差を回避します。 2、優れた断熱性により、センサーを外部からの瞬間的な高温や低温の衝撃（大気圏通過、日陰への移動など）から保護し、温度測定値の正確性を確保します。同時に、複合材料の高減衰特性により、外部機械振動を吸収・隔離し、振動ノイズがひずみ信号の測定を妨げるのを防ぎます。 3、センサーデータの精度と信頼性を向上させ、精密センサーを保護し、極端な温度変化環境に対応します。 |
高出力光ファイバーレーザーの熱管理「マネージャー」
高出力光ファイバーレーザーのレーザー増幅光ファイバーは動作時に大量の廃熱を発生します。熱が適切に、かつ方向性を持って排出されない場合、温度上昇を引き起こし、熱レンズ効果、モード不安定、甚至いは光ファイバーの損傷を引き起こす可能性があります。
伝統的な材料 | カーボンファイバー複合断熱材 |
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通常、金属製の水冷式放熱器が使用されますが、金属は各方向への熱伝導率が同じであるため、熱が望ましくない方向へ伝導される可能性があります。 | 1、その設計可能な異方性熱伝導特性を活用し、特殊な放熱部品を製造します。例えば、光ファイバーに垂直な方向で高熱伝導性を持ち、光ファイバーから発生する熱を迅速に水冷板に導きます。一方、光ファイバーに平行な方向では断熱性を維持し、熱が光ファイバーに沿って伝わり、温度に敏感な他の部品（例えばブラッグ回折格子）に影響を与えないようにします。 2、金属構造の一部を置き換えることで、レーザーシステム全体の重量を軽減します。これは、移動プラットフォーム（車載、機載レーザーなど）において特に重要です。 3、効率的な定向熱管理、レーザー出力と光束品質の向上、軽量化。 |
高性能カーボンファイバー複合断熱材は、その独自の総合性能により、光ファイバー分野において製造工程（引き伸ばし塔）から応用工程（光ケーブル、センサー、レーザー）まで、代替不可能な高付加価値の応用シーンを見出しており、光ファイバー技術をより高性能、より信頼性が高く、より省エネルギーな方向へ推進する重要な先進材料の一つです。