Delist.ru

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

Автор: Семенов Сергей Львович

Для получения стабильных результатов на высокоскоростной установке автору потребовалось решить ряд методических проблем. В частности, изучить влияние собственных колебаний, возникающих во время теста в системе регистрации натяжения световода. Оказалось, что в случае, когда время испытания оказывалось менее 300 микросекунд, эти колебания могут существенно исказить результаты измерений. Поэтому результаты таких тестов исключались из рассмотрения. Также была стабилизирована скорость растяжения образцов, так как изначально данная установка имела большой разброс по величине скорости растяжения из-за нестабильности на участке разгона тянущего зажима, что приводило к дополнительному разбросу результатов.

В третьей главе приводятся результаты измерений механических свойств высокопрочных световодов в полимерном покрытии, а также образцов с пониженной прочностью и микроструктурированных световодов.

Проведенное исследование прочности и статической усталости высокопрочных световодов с полимерными покрытиями разных видов в различных условиях окружающей среды позволяют сделать следующие общие выводы:

увеличение влажности в атмосфере приводит к уменьшению прочности;

действие деионизованной воды сходно с действием воздуха со 100 % относительной влажностью;

уменьшение рН раствора (кислая среда), увеличивает прочность по сравнению с нейтральной средой;

увеличение рН (щелочной раствор), уменьшает прочность по сравнению с нейтральной средой;

действие аммиака, также создающего щелочную среду, вызывает наиболее сильное падение прочности.

При этом, влияние окружающей среды на прочность световода без нагрузки, как правило, обратимо, то есть изменения прочности происходят из-за изменения параметров статической усталости при неизменной инертной прочности. Исключение составляют длительные воздействия на световоды паров аммиака, а также горячей (80оС и выше) воды. В этих случаях может происходить медленное постепенное снижение инертной прочности, то есть рост исходных дефектов в отсутствие нагрузки. Данный эффект вызван медленным растворением кварцевого стекла и соответственно, увеличением неоднородности поверхности (шероховатости). Для практического использования подобные условия являются недопустимыми.

Отмечается влияние типа и состояния защитного полимерного покрытия на параметры статической усталости. Например, пары воды легко проникают сквозь стандартное акрилатное покрытие. Стабилизация нового уровня прочности происходит приблизительно в течение часа после изменения влажности окружающей среды. В то же время диффузия кислот, щелочей и солей сквозь покрытие сильно затруднена и зависит от конкретного вещества и состояния покрытия. Поэтому результаты измерений параметров статической усталости в разных растворах для световодов без покрытия и с покрытием в некоторых случаях (например, в щелочных растворах) существенно различаются.

Отмечается также, что недостаточный учет замедленной диффузии различных веществ сквозь полимерное покрытие может приводить к получению неверных параметров статической усталости при изучении влияния окружающей среды, что объясняет большой разброс литературных данных на эту тему.

Далее приводятся результаты испытаний световодов с пониженной прочностью. Как уже отмечалось выше, проводились статические испытания при постоянной нагрузке, испытания на стандартной разрывной машине и на высокоскоростной установке. В диссертации описывается методика, использовавшаяся для сравнения (совмещения) результатов статических и динамических испытаний.

Результаты испытаний индентированных световодов в лабораторных условиях приведены на Рис. 6, где отчетливо видно изменение наклона кривой в разных областях скорости растяжения, что говорит о сложном характере зависимости скорости роста трещины от нагрузки.

Для сравнения данных по световодам с разными дефектами и уровнем исходной прочности в диссертации предложено использовать специальные «универсальные» координаты, в которых экспериментальные данные нормируются с использованием величины инертной прочности Si. Показано, что в случае, когда трещины разного размера имеют одинаковую зависимость скорости роста от коэффициента интенсивности напряжений, результаты их испытаний на статическую усталость должны лежать на одной кривой в координатах (tsSi2)-((s /Si). Соответственно, в случае динамических испытаний на разрывной машине, результаты будут лежать на одной кривой в координатах ((d /Si)-((( /Si3), где (( - скорость нагружения. Другими словами, можно построить «универсальные» кривые статической и динамической усталости в вышеописанных координатах.

цоеЦоЛоВоцо¶оЎ“¶о†оео†оцоцоцоцоцоцоцоцо}оwpw

цоцоцовоцоцоцоцоцоцоцоцоУГоЅµЅµЅµЅЄќЄќ”ЅЉќЃzЄќЅЉ

(сколько ниже, но все же достаточно близко, что можно объяснить отсутствием на этом типе образцов полимерного покрытия. Сюда же попадают и данные по высокопрочным световодам.

Рисунок 6. Зависимость прочности на растяжение от скорости нагружения, полученная для индентированных образцов при 20оС и 50% RH.

Рисунок 7. Сводный график зависимости прочности на растяжение от скорости нагружения для световодов с разными дефектами, построенный в «универсальных» координатах.

Знание величины инертной прочности образцов позволило пересчитать полученные результаты в зависимости скорости роста трещин от коэффициента интенсивности напряжений и сравнить их с результатами, полученными на массивных образцах с крупными трещинами (Рис. 8).

Рис.8 наглядно показывает, что впервые для световодов удалось экспериментально подтвердить существование эффекта ограничения скорости распространения трещины (в диапазоне 10-4-10-3 м/сек) скоростью диффузии влаги к вершине трещины. Причем эта область у световодов практически совпадает с соответствующей областью у крупных дефектов в массивных образцах.

Оказалось т

акже, что область медленного роста трещин (менее 10-4 м/сек) имеет более сложную зависимость от нагрузки, чем общепринятый простой степенной закон. А именно, в диапазоне от 10-4 до 10-8 м/сек наклон (параметр n) плавно меняется от 30 до 20, что соответствует экспоненциальному закону, и только затем фиксируется на величине ~ 20, совпадая с данными, полученными для высокопрочных световодов.

Практическим выводом из полученных результатов является то, что при оценке прочности после контрольной перемотки (это быстропротекающий процесс, который определяется кинетикой роста трещин вблизи критической нагрузки) должны использоваться данные, полученные при высокоскоростных испытаниях для больших величин скорости роста трещин (>10-6 м/сек). Простой степенной закон с параметрами, получаемыми на высокопрочных образцах не имеет к этим областям никакого отношения. То есть, делавшиеся ранее оценки прочности после перемотки имели отдаленное отношение к реальности. В то же время, в дальнейших оценках времени до разрушения (где все определяет медленный рост трещин), можно пользоваться параметрами, полученными при длительных испытаниях высокопрочных световодов в разных условиях окружающей среды.

Последнее утверждение подкрепляется также схожестью приведенных в диссертационной работе результатов статических испытаний в растворах различной кислотности индентированных образцов и высокопрочных световодов с удаленным полимерным покрытием.

В заключительной части третьей главы приводятся результаты изучения механических характеристик нового класса световодов – микроструктурированных или фотонно-кристалических, характеризующихся наличием большого количества продольных отверстий в стеклянной отражающей оболочке и в световедущей сердцевине. Несмотря на обилие публикаций на тему микроструктурированных световодов их механические свойства до последнего времени были практически не изучены, что вызывало недоверие к новому типу световодов, затрудняло их практическое использование.

Из общих соображений можно предположить, что наличие продольных отверстий должно существенно ухудшить механические свойства микроструктурированных световодов. Дополнительная поверхность внутри отверстий световода может послужить источником дефектов, провоцирующих разрушение световода. Кроме того, микроструктурированные световоды вытягиваются при пониженных температурах, а, следовательно, с существенно большим натяжением. В некоторых случаях, это приводит к возникновению дополнительных дефектов и больших механических напряжений в структуре световода. Поверхность отверстий, в отличие от внешней поверхности световода, не защищена полимерным покрытием, а потому в большей степени должна быть подвержена влиянию водяных паров, снижающих прочность кварцевого стекла.

Приводимые в диссертационной работе результаты показывают, что при оптимизации процесса подготовки преформ к вытяжке возможно получение высокопрочных микроструктурированных световодов большой длины с малым количеством дефектов. Обнаружено, что в случае оптимальной подготовки внутренней поверхности отверстий и внешней поверхности преформы даже уменьшение температуры вытяжки световодов, по меньшей мере, на 130оС, не сказывается на их прочности независимо от конкретной структуры световодов (Рис. 9).

Также было проведено исследование механической и оптической деградации микроструктурированных световодов под действием окружающей среды. Показано, что высокопрочные микроструктурированные световоды при условии отсутствия заметных напряжений в стекле между отверстиями не проявляют какой-либо деградации оптических и механических свойств в лабораторных условиях, даже в случае незащищенных торцов, когда пары воды из атмосферы постепенно проникают в отверстия световода. При заполнении отверстий различными веществами, их воздействие на прочность и статическую усталость микроструктурированных световодов оказалось аналогичным их воздействию на стандартные высокопрочные световоды с удаленным полимерным покрытием, описанному в начале третьей главы.

Образец 1.

Температура вытяжки ~1810oC. Образец 2.

Образец 3.

Температура вытяжки ~1915oC. Образец 4.

Температура вытяжки ~1940oC

Рисунок 9. Фотографии сколов исследуемых образцов полученные с помощью электронного микроскопа.

В Четвертой главе диссертационной работы представлены результаты исследований механических свойств световодов с герметичными покрытиями двух типов, которые являются в настоящее время наиболее перспективными и представляют наибольший практический интерес: металлическими покрытиями, нанесенными из расплава методом намораживания, и углеродными покрытиями, полученными с помощью пиролиза углеводородов на горячей поверхности световода.

К началу работы над диссертацией такие световоды только начали появляться за рубежом, а информация об их свойствах была скудна и противоречива. Поэтому были поставлены следующие задачи:

теоретически оценить поведение световодов под нагрузкой в отсутствие воды;

разработать собственные технологии нанесения герметичных покрытий;

исследовать полученные образцы, сравнивая их свойства с предсказанными теоретически.

загрузка...