Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике  

  На правах рукописи

Семенов Сергей Львович 

Прочность и долговечность волоконных

световодов на основе кварцевого стекла

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики РАН.

Научный консультант: 

доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН

Дианов Евгений Михайлович 

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Мельников Леонид Аркадьевич

Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

доктор физико-математических наук, профессор

Шардаков Игорь Николаевич

Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь

доктор технических наук

Шевандин Виктор Сергеевич

ФГУП НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова", г. Санкт-Петербург

Ведущая организация - Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится  7 апреля 2008 г. в  15 часов

на заседании Диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва,

ул. Вавилова, д. 38, корп. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автореферат разослан  л    февраля 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета                                Макаров Вячеслав Петрович

тел. (499)503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Лавинообразный рост применений волоконных световодов в линиях связи, датчиках физических величин и волоконно-оптических приборах вызывает повышенный интерес к их прочности и долговечности. При этом подавляющее большинство реально использующихся, а также разрабатываемых новых типов световодов используют в качестве основного материала кварцевое стекло. Существует ряд причин, приводящих к ухудшению работоспособности волоконных световодов, например, увеличение оптических потерь из-за микроизгибов при изменении температуры окружающей среды, рост потерь под действием ионизирующих излучений или из-за диффузии водорода в сердцевину световода в подводном кабеле. Однако наиболее катастрофические последствия для волоконно-оптических систем и устройств происходят при разрушении световода в процессе эксплуатации. Поэтому информация о возможности световодов разных типов выдерживать эксплуатационные нагрузки в течение всего периода эксплуатации всегда была критически важной, и часто ограничивающей потенциальные применения в новых областях.

       Вместе с тем, к моменту начала работы над диссертацией представления о физических процессах, определяющих прочность волоконных световодов и ее долговременную стабильность, были крайне ограниченными:        

Было известно, что прочность волоконных световодов ограничивается размером трещин внутри или на поверхности кварцевого стекла, а долговременная стабильность - ростом поверхностных трещин под нагрузкой (так называемой статической усталостью). Главным фактором, определяющим кинетику роста трещин в кварцевом стекле, является присутствие паров воды, однако количественные данные, приводимые разными исследователями, были неполны и противоречивы. Основной причиной было то, что при кажущейся простоте, методики измерения параметров усталости кварцевого стекла содержат некоторые тонкости, недостаточное знание которых приводит к искаженным результатам.

Основным методом исследований в подавляющем числе работ было испытание на разрыв коротких (~1 м) бездефектных отрезков световодов на стандартных разрывных машинах при различных скоростях растяжения (лдинамическая усталость). Такие образцы по своей природе имели крайне узкий статистический разброс прочности. Поэтому с приемлемой точностью удавалось получать значения параметров статической усталости при разнице между максимальной и минимальной скоростями растяжения образцов всего 3 порядка (соответствующие длительности тестов - от десяти секунд до нескольких часов).

Также было немало работ, в которых такие же образцы подвергались действию постоянного растягивающего усилия, и измерялась зависимость времени до их разрушения от приложенной нагрузки (так называемая статическая усталость). Соответственно, длительность испытаний была в диапазоне от единиц минут до нескольких недель, а в редких случаях до нескольких месяцев.

Полученные зависимости экстраполировались как в область очень малых времен (10-1-10-5 сек), ответственную за оценки прочности реальных световодов с дефектами после контрольных тестов, так и на область больших периодов времени (~25-30 лет), соответствующих желательному сроку службы световодов. При этом для экстраполяций использовался простой степенной закон с показателем степени - параметром статической усталости n.

Кроме большого разброса литературных данных по статической усталости в различных условиях окружающей среды, неудовлетворенность ситуацией вызывали следующие соображения: размер исходного дефекта на поверхности высокопрочных образцов можно оценить приблизительно в 2 нм, но надежность волоконных световодов в реальных приборах или линиях связи определяется поведением дефектов размером порядка 1 мкм, соответствующих исходной прочности ~ 0,5-1,0 ГПа. Работ по свойствам световодов с дефектами таких размеров было крайне мало, и их результаты было затруднительно использовать из-за большого статистического разброса прочности образцов. В то же время, эксперименты по прямому наблюдению роста трещин миллиметровых размеров в массивных образцах (стеклянных пластинах) давали совсем другие зависимости скорости роста трещин от нагрузки, по сравнению с получаемыми на высокопрочных образцах. Таким образом, существовали большие сомнения относительно правомерности вообще использования данных, полученных на высокопрочных образцах с дефектами нанометрового размера для прогнозирования свойств реальных световодов с дефектами микронного размера.

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:

  1. 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.
  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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Теоретически показано, что для световода в лидеальном 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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 луниверсальные 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 УМатематические методы в технике и технологиях ММТТ-2000Ф (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.

ичный вклад автора:

  • выбор общего направления исследований;
  • постановка конкретных задач;
  • проведение экспериментов или руководство ими;
  • проведение расчетов;
  • интерпретация экспериментальных данных.

На всем протяжении работа в данном направлении активно поддерживалась академиком РАН, профессором Е.М.Диановым. На различных этапах исследований в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие Е.М.Дианов, М.М.Бубнов, В.А.Богатырев, Ч.Кеджен и С.Глэзман. Весомый вклад в проведение части экспериментов внесли В.А.Богатырев, А.Ф.Косолапов, А.К.Михайлов, А.Г.Щебуняев, Д.Кларк. 

Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены лично автором или под его непосредственным руководством.

Основное содержание работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формируются ее цели и задачи, перечислены научные результаты, показана научная новизна исследования и его практическая значимость, освещена апробация работы.

В первой главе представлен обзор литературных данных по теме диссертации.

Вначале в ней приводятся общие сведения о росте трещин в кварцевом стекле, вводятся основные понятия и формулы, используемые в дальнейшем. В частности, приводится выражение для коэффициента интенсивности напряжений КI, который характеризует перенапряжения в вершине трещины:

                                       (1)

где σ - среднее растягивающее напряжение в образце, а - длина (глубина) трещины,  Y - геометрический фактор близкий к единице, дающий учет различий в форме трещины.

Также вводится понятие исходной или инертной прочности S, которую может иметь образец с исходной трещиной глубиной а, при отсутствии эффекта статической усталости:

,                                        (2) 

где КIC - критический коэффициент интенсивности напряжений, при достижении которого начинается катастрофическое разрушение (для кварцевого стекла КIC=0,789 ГПа⋅мкм1/2).

Констатируется, что общепринятым для описания медленного роста трещин под нагрузкой в кварцевом стекле в присутствии влаги стал простой степенной закон:

,                                        (3)

где V - скорость роста трещины, А и n - параметры статической усталости, величина которых зависит от условий окружающей среды.

Затем проводится анализ литературных данных о прочности и статической усталости световодов в полимерных покрытиях в различных условиях окружающей среды. Отмечается существенный разброс параметров в разных работах и существенное отличие получаемых результатов от данных по росту больших трещин в массивных образцах. Анализируются проблемы, связанные с попытками провести измерения параметров статической усталости на образцах с дефектами микронного размера, а также методические трудности, возникающие при измерениях прочности с высокими скоростями растяжения.  Проводится также обзор методик, используемых для прогнозирования срока службы световодов в линиях связи. Констатируется использование в существующих методиках для описания статической усталости только простого степенного закона и пренебрежение возможным существованием областей, где рост трещины проходит по другим механизмам и закономерностям (области, ограниченной скоростью диффузии влаги к вершине трещины, а также области термофлуктуационного роста трещины в отсутствие влаги).

Далее дается обзор данных по световодам в герметичном покрытии. Кратко описываются методики нанесения на световоды герметичных металлических и углеродных покрытий. Анализируются данные о механических свойствах получаемых образцов.

На основании проведенного анализа в выводах к Главе 1 перечислены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в работе цели.

Вторая глава посвящена решению методических задач, определяющих точность и достоверность представленных в последующих главах результатов, а именно, получению образцов световодов с минимальным статистическим разбросом прочности и методически правильному проведению статических и динамических испытаний образцов волоконных световодов.

Исследуемые в диссертационной работе образцы можно разделить на две группы - высокопрочные световоды и образцы с пониженной прочностью.

Высокопрочные (бездефектные) световоды, как правило имеют крайне узкий разброс статистический прочности (параметр Вейбулла m>50, соответственно разброс не более ±4% для 90% образцов, а средняя величина прочности определяется с точностью порядка 1 %), что потенциально позволяет достоверно фиксировать даже небольшие изменения прочности при изменении условий испытаний. Однако высокая разрывная прочность (~ 5-6 ГПа) при достаточно большом относительном удлинении (~7-8 %) создают проблемы при испытаниях на растяжение (особенно при длительной статической нагрузке) из-за возможного разрушения на зажимах. Испытания же при температуре жидкого азота, когда прочность достигает 14 ГПа, а относительное удлинение 15-17%, практически всегда заканчиваются досрочным разрушением образцов в зажимах при меньших нагрузках.

Альтернативой вышеописанным методам является методика двухточечного изгиба (Рис. 1). В этом случае изогнутый световод помещается между двумя сближающимися пластинами и фиксируется расстояние между пластинами, при котором световод разрушился, либо время до разрушения при постоянном радиусе изгиба.

Рисунок 1. Испытание световода методом двухточечного изгиба.

Использование такой методики исключает возможность разрушения на зажимах. Есть возможность испытывать даже образцы без покрытия. Однако успешное применение методики возможно только при выполнении ряда условий:

  • Прочность световода должна иметь высокую однородность по длине.
  • Нужно также правильно пересчитывать расстояние между пластинами в растягивающее напряжение, учитывая сложную форму изгиба, а также переменную величину модуля Юнга от удлинения кварцевого стекла.
  • При расчете величины Δ, нужно учитывать возможность продавливания мягкого полимерного покрытия при больших нагрузках (при уменьшении расстояния между пластинами).
  • При испытаниях в жидком азоте полимерное покрытие, модуль Юнга которого резко возрастает и становится соизмеримым с модулем Юнга кварцевого стекла, должно быть обязательно удалено.

Анализ методик и сравнительные эксперименты показали, что при исследовании высокопрочных "бездефектных" световодов, имеющих высокую однородную прочность наиболее полную и достоверную информацию дают статические измерения на изгиб, дополненные измерениями прочности на изгиб на небольшой скорости сближения пластин. Чтобы облегчить сопоставление результатов, все измерения проводились на одних и тех же пластинах на подвижке с микрометрическим винтом и в статическом, и в динамическом режиме. С помощью микроскопа регулярно контролировалось реальное расстояние между пластинами, его соответствие показаниям микрометрического винта подвижки, а также продавливание полимера при сближении пластин. Все измерения проводились сериями, состоящими не меньше, чем из 20 образцов.

Для испытаний в жидком азоте на участке световода длиной ~1 мм, который должен был оказаться между пластинами, покрытие стравливалось.

Получение образцов с пониженной прочностью на уровне 0,5 ГПа и узким статистическим разбросом само по себе являлось сложной задачей, не решенной к началу работы над диссертацией. В рамках данной диссертационной работы удалось освоить получение образцов тремя разными методами: царапаньем световода при вытяжке, нанесением частиц оксида циркония на заготовку и индентированием поверхности световода после вытяжки.

Самым простым методом получения световодов пониженной прочности является царапание световода в процессе вытяжки на участке между печью, где происходит вытяжка, и фильерой для нанесения защитного полимерного покрытия. На этом участке световод ничем не защищен, и его легко повредить. Достаточно лишь коснуться его каким-либо достаточно твердым предметом, чтобы при трении об него на движущемся световоде образовалась царапина. Задача лишь в том, чтобы царапины по длине световода оказывались примерно одинаковыми, чтобы разброс прочности был небольшим. Одной из ключевых проблем была нестабильность усилия, с которой царапающий предмет прижимался к световоду. После ряда начальных экспериментов, была разработана схема с тремя повреждающими предметами, в качестве которых использовались стерженьки из кварцевого стекла (Рис. 2). В такой геометрии максимальное усилие, которое приходилось на средний стержень, зависело только от натяжения световода, стабильность которого во время вытяжки было легко обеспечить стабилизацией температуры в печи и скорости вытяжки. В результате оптимизации положения стержней и условий вытяжки нам удалось получать образцы световодов с прочностью ~ 0, 7 ГПа и статистическим параметром Вейбулла m~20, что позволяло определять величину средней прочности в серии образцов с точностью до ~3%.

Возможным источником дефектов световодов могут быть частицы, вплавленные в поверхность заготовки в печи в зоне перетяжки. Естественно, размер таких частиц должен быть по возможности одинаковым. Материал частиц тоже важен. Он должен быть достаточно тугоплавким и не растворяться в кварцевом стекле. Одним из кандидатов был оксид циркония. Дополнительным соображением, поддерживающим выбор именно этого материала, было то, что именно из циркониевой керамики изготавливались нагреватели в некоторых моделях печей для вытяжки световодов. То есть именно такие дефекты могли быть на реальных световодах. Поэтому использовался порошок оксида циркония с узким разбросом по размерам и средним размером 1 мкм. Предварительные эксперименты показали, что нанести порошок на заготовку перед вытяжкой световода равномерным слоем без комков не просто. Была выработана специальная процедура. В результате ее оптимизации удалось получать световоды прочностью ~ 0, 4 ГПа и таким же как у световодов с царапинами параметром Вейбулла m~20. Изучение торцов световодов в месте разрушения показало, что частицы присутствовали на поверхности заготовки все-таки в виде небольших комков, которые в процессе перетяжки вызывали появление на поверхности световода продольных борозд, содержащих вкрапления частиц из исходного сгустка (Рис. 3). Тем не менее, разрушение происходило именно из места, где была вплавлена частица.

Еще одним методом создания трещин на поверхности световодов являлось индентирование, когда к поверхности стекла прижимается с определенным усилием пирамидка из материала, существенно более твердого, чем стекло. Возможность создания трещины в определенном месте световода и в контролируемых условиях вызывала большой интерес. Однако оказалось, что в стекле с помощью индентора Виккерса можно создавать трещины размером не менее 15-20 мкм и с большим разбросом размеров [i,ii],. Приложение больших усилий (>100 г) для получения трещин вызывали формирование в стекле вокруг трещин заметных остаточных напряжений, которые могли неконтролируемо искажать результаты по наблюдению статической усталости. Поэтому нами использовался малоизвестный в то время индентер в виде алмазной пирамидки в форме угла куба [iii]. Оказалось, что с его помощью можно создавать на поверхности кварцевого стекла трещины микронного размера при нагрузке всего около 1 грамма.

Типичный вид индента (отпечатка индентора на поверхности образца после приложения нагрузки 1 грамм), полученный с помощью атомно-силового микроскопа, показан на Рис. 4. Углубление в месте касания индентора появляется из-за остаточных деформаций стекла. При этом возникают три радиальные трещины, начинающиеся от ребер пирамидки во время индентирования. Схема расположения трещин в объеме стекла показана на Рис. 5. Для увеличения воспроизводимости данных по прочности, образцы световодов при индентировании ориентировались таким образом, чтобы плоскость одной из трещин оказывалась перпендикулярной оси световода. В результате оптимизации процесса индентирования нам удалось получать образцы световодов с прочностью ~ 0, 3 ГПа и статистическим параметром Вейбулла m~50, что позволяло определять величину средней прочности в серии образцов с точностью до ~1 %.

Специфическим свойством световодов с пониженной прочностью является неоднородное расположение дефектов на их поверхности. Поэтому использование методик, связанных с изгибом, было проблематичным. Однако низкая прочность и, соответственно, малое удлинение при разрыве существенно уменьшают либо вовсе устраняют проблемы с фиксацией концов таких световодов при испытаниях на растяжение. Оказалось, что образцы световодов пониженной прочности можно просто приклеивать к кускам обычного высокопрочного световода, либо к какой-либо прочной ленте или шнуру. При небольших нагрузках и удлинении поврежденных образцов, они разрушались раньше, чем образец начинал вырываться из места подклейки. Таким образом, проблема зажимов была решена, и образцы с пониженной прочностью испытывались на растяжение.

       В Научном центре волоконной оптики была возможность для проведения длительных статических испытаний, а также для испытаний на разрывной машине с обычными скоростями (~0,5-0005 ГПа/сек). Для проведения высокоскоростных испытаний на разрыв американской фирмой Корнинг Гласс (крупнейшим производителем волоконных световодов в мире) автору диссертационной работы  была предоставлена возможность использовать созданную в исследовательском центре этой фирмы уникальную установку, позволявшую испытывать световоды со скоростями до 104 ГПа/сек. Такое сотрудничество было вызвано большой заинтересованностью американской стороны в получении достоверных данных о росте трещин микронного размера в волоконных световодах.

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 луниверсальные 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)-(σsа/Si). Соответственно, в случае динамических испытаний на разрывной машине, результаты будут лежать на одной кривой в координатах (σd /Si)-(σ′ /Si3), где σ′ - скорость нагружения. Другими словами, можно построить луниверсальные кривые статической и динамической усталости в вышеописанных координатах.

При использовании луниверсальных координат (Рис. 7), становится очевидным, что световоды, поврежденные царапанием, и световоды с вплавленными частицами оксида циркония ведут себя совершенно одинаково. Результаты же испытаний индентированных световодов лежат несколько 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 луниверсальных 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.

Рисунок 8. Зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений при 20оС и 50% относительной влажности (RH) для световодов с различными дефектами в сравнении с литературными данными: (1) - 25оС, 60% RH [iv]; (2) - комнатная температура, вода [v]; (3) - 25оС, вода [vi]; (4) - 25оС, 20% RH [vii]; (5) - 20оС, 60% RH [viii]; (6) - 40оС, 60% RH [8].

       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.

Температура вытяжки ~1835oC.

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.

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) [ix, x, xi]. Время до разрушения описывалось согласно этому механизму следующей формулой:

.                                        (4)

где tо ~10-13 сек - время порядка периода тепловых колебаний атомов в стекле, Uо - энергия Si-O связи, γ - 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 γ.

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

                               (5)

       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 [xii]. 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 [xiii, xiv].

       

Рисунок 11. Статическая усталость световодов в оловянном покрытии, измеренная динамическим () 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 [xv]. 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 σs, обеспечивающая срок службы волоконных световодов в различных условиях эксплуатации при 20оС в течение 25 лет (после контрольной перемотки под нагрузкой σр  при времени разгрузки tu =10-3 с)

Условия

σs /σр 

(при σр =0.7 ГПа

или 1%-удлинение)

σs /σр 

(при σр =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 [xvi]. 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).

5. Разработана технология нанесения на волоконные световоды герметичного углеродного покрытия. Установлена причина сравнительно низких значений (3,5-4,5 ГПа) максимальной прочности таких световодов, изготовленных зарубежными производителями: хрупкое углеродное покрытие растрескивается во время измерения прочности при относительном удлинения ~ 5-7%, что вызывает разрушение световода в целом. Оптимизация процесса нанесения углерода на световод (подбор состава реагентов и температуры нанесения) позволила улучшить эластичность углеродного покрытия и впервые достигнуть рекордного значения прочности 6,1 ГПа при сохранении герметичности покрытия. Показано, что толщина углеродного покрытия на световоде должна быть не менее 50 нм, так как при толщинах углеродного покрытия, использовавшихся ранее (~ 25 нм) не удается гарантированно защитить поверхность световода в местах дефектов, выдерживающих контрольную перемотку под нагрузкой.

       6. Проведены теоретические оценки возможности спонтанного роста дефектов в кварцевом стекле в отсутствие действия влаги за счет термофлуктуационного разрыва напряженных Si-O связей в вершине трещины. Впервые показано, что параметр статической усталости n для световодов в герметичном покрытии достигает значений 135-155, а их прочность (при комнатной температуре) в 2-2,5 раза выше прочности световодов в полимерном покрытии. Данные оценки были экспериментально подтверждены результатами измерений прочности и статической усталости световодов в герметичном металлическом покрытии.

Список публикаций по теме диссертации

  1. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Н.Н.Вечканов, А.Н.Гурьянов, Е.М.Дианов, С.Л.Семенов. - Влияние воды на прочность волоконных световодов. - Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 7, с. 1467-1469.
  2. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, С.Л.Семенов. - Методы оценки срока службы волоконных световодов. - Квантовая электроника, 1984, т.11, стр. 2370-2372.
  3. V.A.Bogatyrjov, M.M.Bubnov, A.N.Guryanov, N.N.Vechkanov, G.G.Devyatykh, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. - Influence of various pH solutions on strength and dynamic fatigue of silicone-resin-coated optical fibers. - Electronics letters, 1986, v. 22, No. 19, pp. 1013-1014.
  4. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Н.Н.Вечканов, А.Н.Гурьянов, Е.М.Дианов, С.Л.Семенов. - Прочность стеклянных волоконных световодов большой длины. - Сб. Труды ИОФАН СССР, т.5, - М.: Наука, 1987, с. 60-72.
  5. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Е.М.Дианов, А.М.Прохоров, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. - Высокопрочные световоды в герметичном покрытии. - Письма в ЖТФ, 1988, т.14, № 9, pp.769-773.
  6. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, Е.М.Дианов,  С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. - Прочность световодов в металлическом покрытии. - Радиотехника, т. 9, стр.82-83 (1988).
  7. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. - Механическая прочность и надежность волоконных световодов для систем оптической связи. - Proc. XV International Congress on Glass, Leningrad, 1989, v.2b, pp. 295-298.
  8. В.А.Богатырев, М.М.Бубнов, С.Д.Румянцев, С.Л.Семенов. - Механическая надежность волоконных световодов. - Сб. Труды ИОФАН СССР, т.23, - М.: Наука, 1990, с. 66-93.
  9. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. - The effect of ammonia on the strength of polymer-coated fibres. - Soviet Lightwave Communications, 1993, v. 3, No. 2, pp. 119-123.
  10. V.A.Bogatyrev, M.M. Bubnov, E.M.Dianov, S.D.Rumyantsev, S.L.Semjonov, - Mechanical reliability of polymer-coated and hermetically coated optical fibers based on proof testing. - Optical Engineering, 1991, v.30, No.6 , pp. 690-699.
  11. A.Abramov, M.Bubnov, E.Dianov, S.Semjonov.- Prospects in application of hermetically coated fibers in submarine optical cables.- Proc. Conference on Submarine Cables (SUBOPTIC'93), Versaille, France, 1993, pp.315-319.
  12. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. -  Maximum value of fatigue parameter n for hermetically coated silica glass fibers. - Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), paper ThF-2, 1992, p. 216.
  13. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. - Maximum values of strength and fatigue parameter n for hermetically coated optical fibers. - Proc. 41st Int. Wire & Cable Symp., 1992, pp. 629-636.
  14. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov. - Influence of residual water on the strength of metal coated optical fibers. - Material Research Soc. Symp., 1992, v. 244, 97-101.
  15. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, S.L.Semjonov, A.N.Guryanov, G.G.Devjatykh. - Static fatigue of metal-coated fibers. - Proc. XVI International Congress on Glass, Madrid, 1992, v.4, pp. 21-26.
  16. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.M.Prokhorov, S.L.Semjonov, C.R.Kurkjian.- Dual hermetically coated optical fibers with strength of 9 GPa.- Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), postdeadline paper PD-22, 1992.
  17. M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.M.Prokhorov, S.L.Semjonov, A.G.Shchebunyaev, C.R.Kurkjian. - High-strength carbon-coated optical fibre. - Soviet Lightwave Communicat., 1992, v. 2, No. 3, pp. 245-250.
  18. M.M.Bubnov, S.L.Semjonov. - Strength of carbon and dual hermetically coated fibers at ambient and high (>400оC) temperatures. - Proc. EUROPTO, v.1973, Berlin 1993, pp. 244-249.
  19. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, A.G.Shchebunyaev.- Reliability of aluminum coated fibers at high temperature.- Proc.SPIE, 1993, v.2074, pp.25-33.
  20. A.A. Abramov, M.M. Bubnov, A.M. Prokhorov, S.L. Semjonov, A.G. Gurjanov. - Optical performance of low loss aluminium coated fibers exposed to hydrogen and temperature cycling. - OFC/IOOC 93 Technical Digest, p. 76, 1993
  21. M.M. Bubnov, S.L. Semjonov, A.G. Shebunyaev and C. R. Kurkjian. - Strength of dual-hermetic coated fibers at high temperatures (>400). - OFC/IOOCТ93 Technical digest, p. 77, 1993
  22. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov, E.M.Dianov, C.R.Kurkjian, A.Breuls. - Mechanical behaviour of low- and high-strength carbon-coated fibers. - Proc. SPIE, 1994, v. 2290, pp.74-78.
  23. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov, O.V.Khleskova.- Susceptibility of static fatigue parameters of optical fibers to environmental conditions.- Proc. SPIE, 1995, v. 2611, pp.49-54.
  24. M.M.Bubnov, S.L. Semjonov. - On the concept of multiregion crack growth. - Symp. MRS Proc., 1998, v. 531 pp. 243-248.
  25. M.M.Bubnov, S.L. Semjonov. - B-value and optical fiber lifetime. - Symp. MRS Proc., 1998, v. 531 pp. 231-241.
  26. M.M.Bubnov, S.L. Semjonov, G.S. Glaesemann, C.R. Kurkjian. - Modeling of proof test level flaws using cube corner indents. - Proc. 47th Int. Wire and Cable Symp., 1998, pp. 928-932.
  27. T. Volotinen, A. Breuls, N. Evanno, K. Kemeter, C. Kurkjian, P. Regio, S. Semjonov, T. Svensson and S. Glaesemann. - Mechanical behavior and B-value of an abraded optical fiber. - Proc. 47th Int. Wire and Cable Symp. pp. 881-890, 1998.
  28. Sergei L. Semjonov, G. Scott Glaesemann and Mikhail M. Bubnov. - Fatigue behavior of silica fibers of different strength. - Proc. SPIE, 1999, vol. 3848, 102-107.
  29. S.L.Semjonov, M.M.Bubnov. - Influence of recent high speed strength testing data on the concept of reliability of optical fiber in telecommunication line. - Proc. SPIE, 2000, v. 4083, pp.63-70.
  30. С.Л.Семенов. - Надежность, прочность, старение и деградация волоконных световодов. - Волоконно-оптические технологии. материалы и устройства, сборник трудов, 2000, № 3, стр. 47-63.
  31. S.L.Semjonov, G.S.Glaesemann, D.A.Clark, M.M.Bubnov. - Fatigue behavior of silica fibers with different defects. - Proc. SPIE, 2000, v. 4215, pp. 28-35.
  32. С.Л.Семенов, М.М.Бубнов. - Сравнение кривых динамической усталости для волоконных световодов с различным уровнем исходной прочности. - Сб. Трудов 13 Междунар. Научн. Конф. УМатематические методы в технике и технологиях ММТТ-2000Ф, Санкт-Петербург, т.7, стр. 66-67, 2000.
  33. S.L.Semjonov and C.R Kurkjian. - Strength of Silica Optical Fibers with Micron Size Flaws. - J. Non-Cryst. Solids, 2001, v. 283, 220-224.
  34. S.L.Semjonov. - Concept of reliability of optical fibers. - Proc. SPIE, 2002, v.4639, pp.1-10.
  35. S.L.Semjonov, G.S.Glaesemann, M.M.Bubnov. - The influence of crack growth behavior in silica glass on fatigue test results. - Proc. SPIE, 2002, v.4639, pp.45-51.
  36. S.L.Semjonov. - Reliability issues of  Raman amplifiers and lasers. - Proc. SPIE, 2002, v.4940, pp. 124-135.
  37. S.L. Semjonov, G.S. Glaesemann, D.A.Clark, M.M. Bubnov. - Effect of environmental conditions on fatigue of weak silica-clad optical fibers. - Proc. SPIE, 2004, Vol. 5465, pp. 61-67.
  38. А.Ф. Косолапов, С.Л. Семенов. - Работоспособность волоконных световодов в экстремальных условиях эксплуатации. - Препринт НЦВО РАН №12, 2006.
  39. А. Ф. Косолапов, С. Л. Семенов, А. Н. Денисов. - Механические свойства микроструктурированных световодов на основе высокочистого кварцевого стекла. - Неорганические материалы, 2007, т. 43, №3, стр. 362-367.
  40. Alexey F. Kosolapov , Sergei L. Semjonov, Alexandr N. Denisov, Evgeny M. Dianov. - Mechanical strength and fatigue of microstructured optical fibers. - in Proc. Optical Fiber Communication Conference and The National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOECТ2007), March 25-19, 2007, Anaheim, CA, USA,  (Optical Society of America, Washington, DC, 2007), Paper OThA3 (2007) .
  41. Семенов С. Л.  - Пpочность волоконных световодов на основе кваpцевого стекла пpи pазличных скоpостях нагpужения и возможность ее диагностики. - Деформация и разрушение материалов, 2007, №9, 33-41.
  42. С.Л.Семенов. - Влияние ограниченности скорости диффузии воды к дефекту и термофлуктуаций на прочность волоконных световодов после контрольного теста. - Краткие сообщения по физике, 2007, № 9, стр. 38-47.
  43. S.L. Semjonov. - Strength after proof-testing: an impact of diffusion-limited and thermo- fluctuation regions of the crack growth. - Proc. XXI Int. Congress on Glass, July 1-6, 2007, Strasbourg, France, paper Q31, 2007.
  44. С.Л.Семенов. - Современные подходы к оценке срока службы волоконных световодов. - Труды Всероссийской конференции по волоконной оптике, 10-12 октября 2007г., Пермь, Россия, Фотон-экспресс, №6 (62), стр. 109-110,  2007.
  45. С.Л.Семенов. - Оценки срока службы волоконных световодов с учетом современных данных о росте трещин в кварцевом стекле. - Сборник статей по материалам Второй международной конференции Деформация и разрушение материалов, Москва, 8-12 октября 2007 г., стр. 426, 2007.
  46. Sergey.Semjonov and  G.Scott Glaesemann. - High-speed tensile testing of optical fibers - new understanding for reliability prediction. - Chapter 18  In Micro- and Opto-Electronic Materials and Structures: Physics, Mechanics, Design, Reliability, Packaging, Vol.1, Materials Physics, edited by E.Suhir, Y.C.Lee, and C.P.Wong, Berlin: Springer, 2007. ISBN 978-0-387-27974-9, pp. 595-626.
  47. Vladimir A. Bogatyrev and Sergei Semjonov. - Metal-Coated Fibers. - Chapter 15 in Specialty Optical Fibres Handbook, edited by Alexis Mendez and T.F.Morse, Academic Press: Elsiver, 2007, ISBN-10: 012369406X, ISBN-13: 978-0123694065, pp. 491-512.

Список цитированной литературы

[i] Dabbs, T.P., Marshall, D.B. and Lawn, B.R. - Flaw generation by indentation in glass fibers. - J.Am.Ceram.Soc.,1980, v. 63, 224-225.

[ii] Baikova, L.G., Pukh, V.P. and Talalakin, S.N. - Damage to high-strength glass in microindentation. Ц  Sov.Phys.Solid State, 1974, v. 151,1437-1439.

[iii] Pharr, G.M., Harding, D.S. and Oliver, W.C. - Measurement of fracture toughness in thin films and small volumes using nanoindentation methods. - in Mechanical Properties and Deformation Behavior of Materials Having Ultrafine Microstructures, 449-461, edited by M.A. Nastasi, D.M Parkin and H. Gleiter, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands (1993).

[iv] M.Muraoka, H.Abe. - Subcritical crack growth in silica optical fibers in a wide range of crack velocities. - J. Amer. Ceram. Soc., 1996, v. 79, №1, 51-57.

[v] T.A.Michalske, W.L.Smith, and B.C.Bunker. - Fatigue mechanisms in high-strength-silica-glass fibers. Ц  J. Amer. Ceram. Soc., 1991, v.74, №8, 1993-1996.

[vi] S.M.Wiederhorn, L.H.Bolz.- Stress corrosion and static fatigue of glass.- J. Amer. Ceram. Soc., 1970, v.53, № 10, pp.543-548.

[vii] S.Sakaguchi, Y.Shiwaki, Y.Abe, and T.Kawasaki. - Delayed failure in silica glass. - J. Amer. Ceram. Soc., 1982, v.17, №10, 2878-1886.

[viii] S.Sakaguchi, Y.Hibino, J.Tajima.- Fatigue in silica glass for optical fibers.- Rev. Electron. Commun. Lab., 1984, v.32, № 3, pp.444-451.

[ix] S.N.Zhurkov.- Kinetic concept of the strength of solids.- Int. J. Fract. Mech., 1965, v.1, № 3, pp. 311-323.

[x] И.В.Александров, М.Е.Жаботинский, О.Е.Шушпанов.- Физическая модель для оценки надежности градиентных волоконных световодов.- ЖТФ, 1983, т.53, № 9, с. 1797-1803.

[xi] В.В.Баптизманский, А.В.Савицкий, В.С.Куксенко.- Прочность и долговечность кварцевых световодных волокон с позиций кинетической теории разрушения.- Proc. XV International Congress on Glass, Leningrad, 1989, v.2b, pp. 299-302.

[xii] R.G.C.Arridge, D.Heywood.- The freeze-coating of filaments.- Brit. J. Appl. Physics, 1967, v.18, pp.447-457.

[xiii] V.A.Bogatyrjov, E.M.Dianov, S.D.Rumyantsev.- Structure of hermetic tin coatings of superhigh strenth silica glass fibers.- Proc. Optical Fiber Commun. Conf. (OFC'92), paper ThF-5, 1992, p. 219.

[xiv] Шевандин В.С. - Увеличение прочности металлизированного кварцевого световода во времени. - Междун. конгресс Оптика-XXI век, конф. Прикладная оптика-2006, СПб, Сб. трудов, 2006, с. 263-265.

[xv] R.G.Huff, F.V.DiMarcello.- Hermetically coated optical fibers for adverse environments.- Proc.SPIE, 1987, v.867, pp.40-45.

[xvi] Y.Mitsunaga, Y.Katsuyama, H.Kobayashi, Y.Ishida. - Failure prediction for long length optical fiber based on proof testing. - J. Applied Phys., 1982, v. 53, No. 7, pp.4847-4853.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике