Delist.ru

Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла (18.02.2008)

Автор: Семенов Сергей Львович

На практике недостаточное понимание всех процессов, происходящих при росте дефектов в световодах на основе кварцевого стекла, привело к существенно завышенным требованиям по максимально допустимой нагрузке на световоды в линиях связи.

Появление световодов с герметичными покрытиями, литературные данные о свойствах которых были крайне скудны и противоречивы, потребовало осознания, каких механических свойств следует ожидать от световодов в случае идеального герметичного покрытия. Соответственно, на основании таких оценок нужно было в дальнейшем разобраться в причинах возможного несоответствия свойств реальных световодов в герметичных покрытиях предсказанным и сделать выводы о возможностях таких световодов. А так как сами световоды в герметичных покрытиях и технологии их получения, разработанные в ряде зарубежных фирм, были недоступны, потребовалось также разработать собственные лаборторные технологии.

Разработка в последнее время нового класса световодов – микроструктурированных, характеризующихся наличием большого количества продольных отверстий в стеклянной отражающей оболочке и в световедущей сердцевине также поставило вопрос об их надежности и о правомерности для такого случая подходов, используемых для обычных световодов.

Целью работы в соответствии с вышеизложенным являлось:

Постановка и проведение физических исследований по изучению процессов, влияющих на прочность и срок службы волоконных световодов и разработка научной основы для получения достоверных оценок работоспособности волоконных световодов в линиях связи, волоконно-оптических датчиках и других приборах.

Достижение указанной цели предполагало решение следующих основных задач:

адекватное описание эффекта статической усталости в волоконных световодах на основе кварцевого стекла, вызванной ростом дефектов под нагрузкой в присутствии влаги, для дефектов разного происхождения и разного исходного размера;

выявление возможных механизмов, снижающих срок службы световодов в отсутствие влаги при использовании герметичных покрытий.

Для их решения были поставлены следующие частные задачи:

Для сравнения с высокопрочными световодами разработать методики получения образцов с дефектами микронного размера, наиболее близко моделирующими дефекты в реальных линиях связи, и с максимально возможной однородностью прочности.

Создать лабораторную технологию нанесения герметичного покрытия на световоды.

Провести анализ методик испытаний в возможно широком диапазоне длительности тестов на предмет достоверности и точности получаемых результатов.

Исследовать прочность и статическую усталость для световодов в полимерном (негерметичном) и герметичном покрытиях.

Провести анализ полученных результатов и с их учетом провести оценки срока службы волоконных световодов.

Научная новизна работы

Впервые получены следующие результаты:

Проведено комплексное исследование явления статической усталости световодов из кварцевого стекла (кинетики роста исходных дефектов размером от 2-3 нм до 1-2 мкм) в световодах с полимерным покрытием в присутствии влаги в широком диапазоне скоростей нагружения (от статической нагрузки до нагружения со скоростью 104 ГПа/сек). Экспериментально подтвержден эффект ограничения скорости распространения трещины (в диапазоне 10-4-10-3 м/сек) скоростью диффузии влаги к вершине трещины. Показано, что область медленного роста трещин (менее 10-4 м/сек) имеет более сложную зависимость от нагрузки, чем общепринятый простой степенной закон.

Экспериментально установлено, что образцы волоконных световодов с исходными дефектами разной природы (царапины, вплавленные частицы, трещины от индента) и с разным уровнем исходной прочности имеют близкие параметры статической усталости при одинаковой величине напряжений в вершине трещины, формируемой исходным дефектом.

С использованием оловянного герметичного покрытия впервые в мире получена прочность световодов ~ 11-13 ГПа, что в 2-2,5 раза выше максимальной прочности обычных световодов (5-6 ГПа). Показано, что попадание под герметичное покрытие даже очень малого количества влаги приводит к существенному снижению прочности, а также снижению величины параметра статической усталости n.

Установлена причина сравнительно низких значений (3,5-4,5 ГПа) максимальной прочности световодов с углеродным покрытием, изготовленных зарубежными производителями: хрупкое углеродное покрытие растрескивается во время измерения прочности при относительном удлинения ~ 5-7%, что вызывает разрушение световода в целом.

Теоретически показано, что для световода в «идеальном» герметичном покрытии параметр статической усталости n достигает значений 135-155, а его прочность (при комнатной температуре) в 2-2,5 раза выше прочности световодов в полимерном покрытии.

Основные защищаемые положения

Кинетика роста трещин на поверхности волоконных световодов зависит от концентрации влаги в окружающей среде и ее кислотности, а также от защитных свойств полимерного покрытия, но практически не зависит от природы и размера исходного дефекта.

Скорость роста трещин на поверхности волоконных световодов в присутствии влаги имеет сложную зависимость от нагрузки: простая степенная зависимость при увеличении нагрузки сменяется экспоненциальной, затем начинается область, ограниченная скоростью диффузии влаги к вершине трещины, и, наконец, вблизи критической нагрузки рост трещины идет уже по термофлуктуационному механизму.

Минимально возможная прочность световода в полимерном покрытии после контрольного теста под нагрузкой зависит, в том числе от времени снятия нагрузки и для типичных условий контрольного теста (10-3 сек) приблизительно равна испытательному напряжению.

В отсутствие влаги дефекты волоконных световодов растут по термофлуктуационному механизму. Поэтому прочность образцов волоконных световодов в герметичном покрытии становится при комнатной температуре в 2-2,5 раза выше прочности световодов в полимерном покрытии и на ~10% ниже прочности при температуре жидкого азота, а параметр статической усталости n (показатель степени в степенной зависимости времени жизни от нагрузки) находится в диапазоне 135-155.

Использование методики «намораживания» для нанесения герметичного металлического покрытия на световоды позволяет реализовать рекордную для световодов на основе кварцевого стекла прочность при комнатной температуре (11-13 ГПа) и теоретически предсказанную величину параметра статической усталости n ~135.

Разрушение углеродного герметичного покрытия при относительном удлинении образцов более 5-7% не позволяет достигнуть предельных значений разрывной прочности, но при этом долговременная стабильность световодов в углеродном покрытии при меньшем удлинении крайне высока из-за отсутствия возможности попадания влаги на поверхность световода.

Практическая значимость работы

Разработаны методики получения образцов с дефектами микронного размера, наиболее близко моделирующими дефекты в реальных линиях связи, и рекордной однородностью прочности (например, при индентировании пирамидкой в форме угла куба параметр Вейбулла m~50, то есть разброс не более (4% для 90% образцов).

Для сравнения результатов по статической и динамической усталости образцов световодов с разной исходной прочностью, предложено использовать «универсальные» координаты, кардинально упрощающие анализ результатов тестирования.

При высокоскоростных испытаниях образцов с дефектами микронного размера получены значения параметров статической усталости для проведения оценок исходной прочности световодов после контрольной перемотки под нагрузкой для световодов в полимерном покрытии.

Показано, что для нового типа волоконных световодов – микроструктурированных волоконных световодов, отличающихся наличием продольных отверстий микронного размера в стеклянной светоотражающей оболочке и сердцевине, можно использовать те же подходы и методики при определении срока службы, что и в случае обычных световодов в полимерном покрытии.

Проведенные в работе оценки минимальной прочности световодов после контрольной перемотки под нагрузкой показали, что можно поднять величину допустимой эксплуатационной нагрузки для протяженных (более 1 км) линий связи, гарантируя при этом отсутствие разрушения в течение всего срока эксплуатации.

Показано, что корректное использование вероятности досрочного разрушения при оценке срока службы позволяет существенно (до 2 раз) поднять величину допустимой эксплуатационной нагрузки для линий связи малой длины (менее 1 км), что резко снижает требования к конструкции оптических кабелей и условиям эксплуатации, обеспечивая при этом, тем не менее, высокую надежность линий связи и волоконно-оптических приборов.

Для определения параметра Вейбулла m распределения прочности световода на уровне нагрузки при перемотке, необходимого при оценке срока службы, предложены простые методики, позволяющие отказаться от повторной перемотки части световодов с повышенной нагрузкой.

Апробация работы:

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 15, 16, 17 и 21 Международных конгрессах по стеклу (Ленинград, 1989 г.; Мадрид, Испания, 1992г., Пекин, 1995 г., Китай, Страсбург, 2007 г., Франция), на Международных конференциях по оптической связи (Сан Хосе, США, 1992, и 1993 гг. и Анахейм, США, 2007 г.), по кабелям и проводам (Рино, США, 1992 г. и Филадельфия, США, 1998 г.) и по подводным кабелям (Париж, Франция, 1993г.), на симпозиумах Международного общества исследования материалов (Бостон, США, 1992 г., Сан-Франциско, США, 1998 г.), Международного общества ЕВРОПТО (Берлин, Германия, 1993г.), Американского керамического общества (Индианаполис, США, 1993 г.) и Международного общества оптического конструирования SPIE (Бостон, США, 1993, 1999 и 2000 гг., Сан Диего, США, 1994 г., Филадельфия, США, 1995 г., Сан Хосе, США, 2002, Брюгге, Бельгия, 2002 г., Страсбург, Франция, 2004 и 2006 гг.), на 13 Международной Научной Конференции “Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2000” (Санкт-Петербург, 2000 г.), на Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 207г.), на Второй международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (Москва, 2007 г.) а также на семинарах ИОФ РАН им. А.М.Прохорова и НЦВО РАН.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 47 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем составляет 233 страницы, включая 89 рисунков, 9 таблиц и список литературы, насчитывающий 210 наименований.

загрузка...