Введение к работе
з
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 твёрдыми 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 проходил без обрыва перемотку с нагрузкой 3,5 ГПа [7]. При промышленном производстве световоды перематываются обычно под нагрузкой 0,3-1,4 ГПа. При этом один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров перемотанных световодов [7-9].
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.
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 [12]. 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 .
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 [13-14]. 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...
Всвязи с этим целью работы было:
-
Исследование влияния различных 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.
Практическими результатами исследований являются:
-
Усовершенствована технология нанесения металлического покрытия на световод за счет снижения возможности попадания влаги под покрытие;
-
Впервые разработана отечественная технология получения световодов с углеродным покрытием;
3. Для определения параметра Вейбулла т распределения прочности
световода на уровне нагрузки при перемотке, необходимого при оценке
срока службы, предложены простые методики, позволяющие оказаться от
повторной перемотки части световодов под нагрузкой, большей, чем стандартное натяжение перемотки.
Апробация работы.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 15, 16 и 17 Международных конгрессах по стеклу (Ленинград, 1989 г.; Мадрид, Испания, 1992г., Пекин, 1995 г., Китай), на Международных конференциях по оптической связи (Сан Хосе, США, 1992 и 1993 гг.), по кабелям и проводам (Рино, США, 1992 г.) и по подводным кабелям (Париж, Франция, 1993 г.), на симпозиумах Международного общества исследования материалов (Бостон, США, 1992 г.), Международного общества ЕВРОПТО (Берлин, Германия, 1993г.), Американского керамического общества (Индианаполис, США, 1993 г.) и Международного общества оптического конструирования SPIE (Бостон, США, 1993 г., Сан Диего, США, 1994 г. и Филадельфия, США, 1995 г.), а также на семинарах отделов колебаний и волоконной оптики ИОФ РАН.
Публикации
Основные результаты диссертации представлены 17 публикациях и докладах в трудах конференций, указанных в списке литературы.
