Широкое использование волоконных световодов в системах оптической связи и разнообразных датчиках физических полей обусловило повышенный интерес к их долговечности. Существует ряд причин, приводящих к ухудшению работоспособности волоконных световодов, например, увеличение оптических потерь из-за микроизгибов при изменении температуры окружающей среды [1], рост потерь под действием ионизирующих излучений [2] или из-за диффузии водорода в сердцевину световода в подводном кабеле [3]. Однако, наиболее катастрофические последствия для волоконно-оптических систем и устройств происходят при разрушении световода в процессе эксплуатации. Поэтому именно изучению физических процессов, определяющих прочность и долговечность волоконных световодов и посвящена настоящая работа.
Прочность бездефектного кварцевого волокна выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [4,5], однако любое соприкосновение поверхности волокна с твердым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин, которые при приложении растягивающей нагрузки начинают быстро расти. В результате разрывная прочность кварцевых волокон оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла.
Первые волоконные световоды из кварцевого стекла изготавливались без полимерных оболочек и имели поэтому очень низкую прочность. Вскоре проблема повреждения световодов при вытяжке была решена путем использования защитных полимерных покрытий различных типов, которые наносились на световод прямо в процессе вытяжки и затвердевали до момента первого контакта световода с каким-либо твердым телом (ролики, катушка) [4]. Следует отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твердыми телами в процессе вытяжки, но и на более ранних стадиях его изготовления. В частности к снижению прочности световода могут приводить инородные частицы, которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых при изготовлении заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов [5].
В результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования (изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов для покрытия) [5,6], которые позволяют получать «бездефектные» световоды с высокой прочностью на разрыв на коротких кусках (~1 м, ~5 ГПа) и ее узким разбросом. Следует отметить, что малый разброс разрывной прочности на коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или нескольких слабых точек на длине световода в несколько километров. Даже при соблюдении всех вышеупомянутых технологических требований, на большой длине световода возможно появление редких дефектов, которые отбраковываются с помощью перемотки под нагрузкой уже после вытяжки световода. Рекордным по литературным данным является результат, когда световод длиной 15,6 км прошел без обрыва перемотку с нагрузкой 3,5 ГПа [7]. При промышленном производстве световоды перематываются обычно под нагрузкой 0,31,4 ГПа. При этом один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров перемотанных световодов [7,8,9].
Успешное решение проблем, связанных с получением высокопрочных световодов большой длины выдвинуло в середине 80-х годов на первый план новые задачи. Основное внимание стало уделяться долговечности таких световодов. Уже было известно, что световоды в полимерных оболочках подвержены статической усталости [10], то есть световоды под нагрузкой постепенно снижают свою прочность вплоть до разрушения из-за медленного роста дефектов на их поверхности. Известно было и то, что главным фактором, определяющим скорость статической усталости кварцевого стекла является присутствие паров воды [11], однако данные, приводимые разными исследователями были неполны и противоречивы. Всвязи с этим актуальной задачей стало исследование влияния различных условий окружающей среды на рост дефектов в световодах с полимерными покрытиями [12−17].
Кроме того, оказалось, что для прогнозирования срока службы световода под нагрузкой, которая в виде растяжения или изгиба всегда присутствует при эксплуатации, невозможно использовать простую формулу для времени жизни световода под нагрузкой, так как для этого должна быть известна прочность световода после перемотки, а дефекты в процессе перемотки успевают подрасти из-за той же статической усталости [18]. Вследствие этого представлялось важным исследовать, как влияет процесс перемотки под нагрузкой на прочность световода и каким образом можно прогнозировать срок службы световода, зная параметры статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации [14−16,19].
Как уже указывалось выше, главной причиной, вызывающей рост дефектов в стекле, является присутствие паров воды, поэтому одним из направлений дальнейшего развития технологии изготовления волоконных световодов явилось создание на поверхности световода герметичного покрытия, исключающего действие на световод влаги из атмосферы [20,21]. Однако, к началу работы над диссертацией не только не было ясности ни с предельной прочностью таких световодов, ни с их статической усталостью, но и отсутствовали отечественные технологии нанесения на световоды герметичных покрытий.
Приведенные выше соображения послужили основанием для проведения настоящей работы, цели которой можно сформулировать следующим образом:
— исследование влияния условий окружающей среды на рост дефектов в световодах с полимерными покрытиями;
— исследование процесса роста дефектов в световодах с герметичными покрытиями;
— исследование влияния процесса перемотки под нагрузкой на исходные дефекты и прогнозирование срока службы световодов с учетом параметров статической усталости при перемотке и в условиях эксплуатации, а также оценка срока службы световодов в герметичных покрытиях.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Основные результаты главы.
1. На основании анализа изменения прочности световода в процессе перемотки под нагрузкой показано, что для повышения уровня минимальной инертной прочности световода после перемотки Sf min до уровня усилия перемотки стп необходимо уменьшить время разгрузки до 10″ 5сек, то есть при перемотке со скоростью 2−3 м/сек разгрузка должна происходить на 20−30 мкм длины световода, что многократно усложняет и удорожает оборудование для перемотки под нагрузкой.
2. Проведены расчеты вероятности увеличения размеров дефектов световода в процессе перемотки. Доказана приемлемость как для производителей, так и для потребителей введения в оценки срока службы световодов после перемотки под нагрузкой вероятности разрушения, что резко снижает требования к конструкции оптических кабелей и условиям эксплуатации, обеспечивая при этом высокую надежность линий связи.
3. Показано, что оценки срока службы световодов существенно изменяются, если условия эксплуатации отличны от условий перемотки под нагрузкой. Получены простые выражения для оценки срока службы волоконных световодов, позволяющие учитывать изменения параметров статической усталости п и В при переходе от условий перемотки к условиям эксплуатации.
4. Предложены методики для определения необходимого при оценке срока службы параметра Вейбулла т для распределения прочности световода на уровне нагрузки перемотки, позволяющие оказаться от повторной перемотки части световодов под нагрузкой, большей, чем стандартное натяжение перемотки.
5. 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 Sf mjn. Тем не менее, учет конечной вероятности разрушения позволяет гарантировать 30-летний срок службы световода с герметичным покрытии при допустимой вероятности разрушения F=0,01, если запас по перемотке Р ~ 1,27, то есть допустимая эксплуатационная нагрузка для таких световодов может составлять до 78% от уровня перемотки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведено экспериментальное изучение влияния условий окружающей среды на параметры, определяющие скорость роста дефектов в световодах на основе кварцевого стекла в различных полимерных покрытиях. Показано, что изменения влажности влияют в большей степени на параметр статической усталости В (при увеличении относительной влажности в два раза он уменьшается более, чем в четыре раза), а изменения кислотности — на параметр статической усталости п (при увеличении рН раствора с 2 до 12, он снижается с 24 до 15).
2. Проведены теоретические оценки процесса роста дефектов в кварцевом стекле в отсутствие влаги за счет разрыва перенапряженных 81−0 связей под действием флуктуаций тепловых колебаний атомов в стекле. Показано, что параметр статической усталости п в этом случае должен находиться в диапазоне 135−155, а прочность при комнатной температуре отличается от прочности в жидком азоте приблизительно на 10%.
3. Исследована долговечность находящихся под нагрузкой световодов с герметичными металлическими покрытиями. Показано, что при оптимальных условиях нанесения покрытия уровень прочности световода и параметр статической усталости я=135±-15 соответствуют теоретическим оценкам. Обнаружено, что атмосферная влага может адсорбироваться на поверхности кварцевого стекла в процессе вытяжки световода до нанесения покрытия, в результате чего уменьшается в 1,5−2 раза прочность световода и возрастает его статическая усталость (значение параметра п снижается с 135 до 30).
4. Разработана технология нанесения на световоды герметичного углеродного покрытия. Достигнуто рекордное для данного типа световодов значение прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичных свойств покрытия. Показано, что пониженный уровень прочности световодов с герметичным углеродным покрытием (по сравнению с прочностью световодов в герметичном металлическом покрытии) определяется растрескиванием углеродного покрытия при высоких значениях удлинения (5−8%).
Выработаны дополнительные требования к толщине углеродного покрытия, гарантирующие герметизацию дефектных мест на поверхности световода.
5. Проведены оценки срока службы волоконных световодов с полимерными и герметичными покрытиями, учитывающие изменения параметров статической усталости п и В при переходе от условий испытательной перемотки к условиям эксплуатации. Рассчитано, что для обеспечения 25-летнего срока службы световодов с герметичными покрытиями необходимо, чтобы нагрузка при перемотке превышала эксплуатационную нагрузку в 1,25−1,30 раза, в то время как для световодов с полимерным покрытием необходим запас в 3−6 раз (в зависимости от условий эксплуатации).
В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.ф.-м.н. М. М. Бубнову за постановку задач и неоценимую помощь, оказанную в процессе их решения, академику Е. М. Дианову за интерес и внимание к работе, а также всем сотрудникам Научного центра волоконной оптики за помощь и поддержку.
