Delist.ru

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

Автор: Семенов Сергей Львович

Вопрос о росте дефектов в кварцевом стекле в отсутствие влаги к началу работы над диссертацией был практически не изучен. Эксперименты со световодами в герметичных покрытиях, которые только начали появляться давали для параметра n величины от 40 до бесконечности (т.е. полное отсутствие статической усталости). Существовало качественное представление, что трещины могут расти в отсутствие воды путем разрыва напряженных связей в вершине трещины за счет флуктуаций тепловых колебаний атомов в стекле (термофлуктуационный механизм) [, , ]. Время до разрушения описывалось согласно этому механизму следующей формулой:

где tо ~10-13 сек - время порядка периода тепловых колебаний атомов в стекле, Uо - энергия Si-O связи, ( - параметр, в котором содержится информация о перенапряжении в вершине трещины и активационном объеме. В таком виде формулу использовать было затруднительно, т.к. трудно было определить параметр (.

Нам удалось преобразовать эту формулу к виду, когда все параметры легко определяются, за счет введения в нее инертной прочности Sio:

В результате было показано (Рис.10), что параметр n в диапазоне времени до разрушения от 1 секунды до 25 лет должен меняться от 155 до 135, а прочность при комнатной температуре должна быть ниже прочности в жидком азоте приблизительно на 10%. Таким образом, было предсказано, какого поведения следует ожидать от световодов в герметичных оболочках.

Далее в Четвертой главе обсуждаются свойства световодов с герметичным металлическим покрытием, нанесенным методом «намораживания» []. В этом случае световод, выйдя из печи и остыв, проходит через слой металла, находящегося в расплавленном состоянии при температуре, близкой к температуре плавления. При этом тонкий слой металла намерзает на холодный световод. В начале работы над диссертацией было известно из литературных источников, что прочность световодов в металлическом покрытии как правило оказывается на уровне прочности стандартных световодов в полимерном покрытии либо слегка превышает ее (~7 ГПа).

Рисунок 10. Зависимости расчетного времени до разрушения световода от величины приложенной нагрузки при комнатной температуре и в жидком азоте при условии отсутствия влаги на поверхности стекла (герметичная оболочка).

В ходе разработки собственной лабораторной технологии нанесения металла методом «намораживания» было обнаружено, что одной из проблем при нанесении покрытия (и соответственно причиной недостаточно высокой прочности) может быть адсорбция влаги из атмосферы над металлизатором на поверхности световода и в дальнейшем попадание ее под металлическое покрытие. Так как световод должен входить в металл остывшим, этот эффект может проявляться всегда, когда в атмосфере над металлизатором есть влага. Путем изменения количества влаги в атмосфере над металлизатором было показано, что при высокой влажности прочность действительно может снизиться практически до уровня прочности световодов в полимерном покрытии.

Оказалось, что в оптимальном случае (максимально сухая атмосфера) поведение световодов в металлическом покрытии соответствует ожидаемому согласно теоретическим оценкам – их прочность приблизительно в два раза превышает прочность световода с удаленным металлическим покрытием и оказывается приблизительно на 10% ниже, чем прочность в жидком азоте, а параметр n оказался равным 135 (Рис. 11). В результате, при использовании олова в качестве материала покрытия впервые удалось получить световоды, имеющие рекордную максимальную прочность 11-12 ГПа. Этот результат был позднее подтвержден данными других исследователей [, ].

) и статическим (о) методами. Кривые (1), (2) и (3) - испытания на растяжение поврежденных световодов, вытянутых при условиях 1, 2 и 3 над металлизатором соответственно; кривая (3') - испытания на изгиб бездефектного световода, полученного в условиях 3. Условия (1), (2) и (3) соответствуют 60%, 1% и 0,1% относительной влажности в атмосфере над металлизатором соответственно.

Другим типом герметичного покрытия, нанесение которого удалось совместить с процессом вытяжки световода, является углеродное покрытие. В данной методике при попадании световода в реактор, который продувается смесью углеводородов, на горячей поверхности световода происходит реакция разложения (пиролиза), когда водород отрывается от углерода, и углерод в виде тонкой пленки (несколько десятков нанометров) осаждается на поверхности световода []. В этом случае (в отличие от металла) температура световода должна быть достаточно большой для обеспечения реакции пиролиза (более 1000оС).

Т.к. такая технология существовала лишь в нескольких зарубежных фирмах, а образцы световодов были недоступны, автору диссертационной работы пришлось разработать собственную лабораторную технологию нанесения углеродного покрытия.

Основной проблемой, с которой предстояло разобраться, была пониженная прочность световодов в углеродном покрытии. Как уже указывалось ранее, световоды в герметичном покрытии должны иметь прочность приблизительно в два раза выше (более 10 ГПа), чем прочность световодов в полимерном покрытии (5,0-5,5 ГПа). Однако все производители световодов в углеродном покрытии получали прочность 3,5-4,5 ГПа, то есть ниже, чем у стандартных световодов. При этом параметр n оказывался, тем не менее, высоким (200-400). Какие-либо объяснения этому факту в литературе отсутствовали.

Получив собственные световоды в углеродном покрытии, мы также убедились в их пониженной прочности (~4,5 ГПа) и высокой величине параметра статической усталости (n~200). Оказалось также, что при нанесении в качестве вторичного покрытия металла прочность световодов в углеродном покрытии увеличивалась почти вдвое (до 9 ГПа), однако удаление металлического покрытия приводило к снижению прочности до прежнего уровня. В то же время в жидком азоте прочность всех образцов равнялась ~10 ГПа. Причиной этого оказалось нарушение герметичности (растрескивание) углеродного покрытия до разрушения световода в процессе измерения прочности. Это удалось продемонстрировать наглядно – световод в углеродном покрытии нагружался (изгибался) в жидком азоте или осушенной атмосфере таким образом, чтобы максимальная нагрузка превысила разрушающую нагрузку в лабораторных условиях, но не произошло разрушения. После этого нагрузка снималась, и световод погружался в плавиковую кислоту. В этом случае растворяться в кислоте начинал только тот участок световода, на котором нагрузка была высокой, т.е. в этом месте покрытие переставало быть герметичным и переставало защищать стекло от действия кислоты.

Таким образом, было показано, что углерод, являющийся, как и стекло, хрупким телом, начинает растрескиваться при удлинении порядка 5%, нарушая герметичность покрытия и приводя к разрушению всего световода. Измеряемый на таких образцах параметр n очевидно характеризует не кварцевое стекло, а углерод.

Получено, что оптимизация процесса нанесения углерода на световод (подбор состава реагентов и температуры нанесения) позволяет улучшить эластичность углеродного покрытия и достигнуть рекордного значения прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичности покрытия. Однако дальнейшее повышение эластичности покрытия кардинально ухудшает его герметичность.

Описаны также эксперименты по получению световодов в углеродном покрытии с дефектами в виде вплавленных частиц оксида циркония. Показано, что герметичность покрытия в местах дефектов, выдерживающих контрольную перемотку под нагрузкой, обеспечивается толщиной углеродного покрытия на световоде не менее 50 нм, тогда как у производителей таких световодов стандартная толщина углеродного покрытия была на уровне 25 нм.

В Пятой главе диссертационной работы представлены результаты оценок длительной работоспособности световодов с учетом данных по росту трещин, представленных в третьей и четвертой главах.

Констатируется, что ключевым моментом при расчетах срока службы световодов является оценка прочности световода после контрольной перемотки под нагрузкой. Оценки по общепринятым методикам с использованием простого степенного закона дают для минимальной инертной прочности величину менее 30% от уровня напряжения контрольного испытания.

С учетом зависимостей, полученных при высокоскоростных испытаниях световодов с дефектами, показано, что при скоростях разгрузки, характерных для современного контрольного оборудования (10-3 сек), минимальная инертная прочность световода после испытания близка к величине контрольной нагрузки. Она может даже превышать ее (Рис. 12), если принять во внимание также область термофлуктуационного роса трещин, параметры которой были получены в четвертой главе.

Таким образом, установлено, что учет влияния областей ограниченного диффузией и термофлуктуационного роста трещин позволяет понизить требования к максимальной величине эксплуатационной нагрузки для протяженных линий связи (свыше 1 км), гарантируя при этом отсутствие разрушения в течение срока эксплуатации. В качестве примера в таблице 1 приводятся результаты расчетов допустимой эксплуатационной нагрузки на световод в различных условиях эксплуатации.

Таблица 1

Эксплуатационная нагрузка на световод (s, обеспечивающая срок службы волоконных световодов в различных условиях эксплуатации при 20оС в течение 25 лет (после контрольной перемотки под нагрузкой (р при времени разгрузки tu =10-3 с)

Условия (s /(р

(при (р =0.7 ГПа

или 1%-удлинение) (s /(р

(при (р =1.4 ГПа

или 2%-удлинение )

50% относительной влажности 0.231 0.215

Раствор pH=6 0.183 0.171

Раствор pH=7 или pH=8 0.170 0.159

Раствор pH=10 0.155 0.144

Рисунок 12. Результаты расчетов минимальной инертной прочности после контрольного теста от времени разгрузки при учете влияния областей ограниченного диффузией и термофлуктуационного роста трещин для световодов с царапинами или вплавленными частицами в защитном полимерном покрытии (сплошная линия), а также для индентированных световодов без покрытия (пунктирная линия).

Также в пятой главе проведены оценки вероятности увеличения размеров дефектов световода в процессе перемотки. Показано, что использование вероятностного подхода позволяет существенно (до двух раз) увеличить максимально допустимую величину 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. Получены выражения для оценок срока службы световодов с учетом разницы в условиях окружающей среды при перемотке и при эксплуатации, а также для вероятности разрушения световода при повторном контрольном тесте.

Для определения вероятности увеличения размеров дефектов световода в процессе перемотки необходимо знать распределение исходных дефектов до контрольного теста. В этом случае обычно для части световодов используется последовательность контрольных перемоток с возрастающей нагрузкой []. В диссертации предложены методики определения параметра Вейбулла m, характеризующего распределения прочности световода на уровне нагрузки перемотки, которые позволяют отказаться от повторных перемоток.

В заключительной части пятой главы проведены оценки сроков службы волоконных световодов с герметичными покрытиями. Показано, что рост дефектов в процессе разгрузки при перемотке под нагрузкой так же, как и у световодов с полимерным покрытии, приводит к существенному снижению минимальной инертной прочности световода после перемотки (до уровня 0,5% от напряжения контрольной перемотки). Тем не менее, благодаря высокой (>100) величине параметра статической усталости n, вероятность появления на световоде длиной 100 км хотя бы одного дефекта с прочностью ниже напряжения контрольной перемотки, составляет 8.5х10-13 (если среднее число обрывов при контрольной перемотке составляет 0,1 обрыва/км). Поэтому допустимая эксплуатационная нагрузка для обеспечения 30-летнего срока службы такого световода может составлять до 78% от уровня контрольной перемотки, в то время как для световодов в полимерном покрытии (как следует из таблицы 1) эксплуатационная нагрузка не должна превышать уровень 1/5-1/7 от напряжения контрольного испытания.

Основные результаты и выводы

1. Проведено комплексное исследование явления статической усталости 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.

2. 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. Это дает возможность проводить общие оценки срока службы световодов, не принимая во внимание конкретную природу дефектов.

3. Дано физическое объяснение несоответствия предсказаний вероятности разрушения световодов в линиях связи реальному количеству отказов при их эксплуатации. Показано, что при использовании общепринятых методик оценки срока службы световодов, базирующихся на простом степенном законе скорости роста трещин, требования к величине допустимой эксплуатационной нагрузки на световоды в протяженных (более 1 км) линиях связи значительно завышались. Разработаны физические основы для оценок срока службы волоконных световодов с учетом сложной зависимости скорости роста трещин от нагрузки, которые позволяют адекватно оценивать надежность волоконных световодов в линиях связи и волоконно-оптических приборах.

4. Разработана технология нанесения на волоконный световод герметичного металлического покрытия. С использованием оловянного покрытия впервые в мире удалось повысить прочность световодов до ~ 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 (так называемого параметра «n»).

загрузка...