Влияние релаксационных свойств материалов первичных покрытий на прочность и долговечность световодов
Влияние релаксации модуля упругости материала, заполняющего внутренние полости дефектов световодов, на скорость развития поверхностных микротрещин под нагрузкой и на прочностные характеристики волокон. Ухудшение прочности и долговечности световодов.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 07.11.2018 |
Размер файла | 109,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт радиотехники и электроники РАН
ЗАО «Центр ВОСПИ»
ВЛИЯНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПЕРВИЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СВЕТОВОДОВ.
А.А. Дяченко
О.Е. Шушпанов
Проблемы прочности и долговечности волоконно-оптических световодов интенсивно исследуются многими авторами на протяжении последних 30 лет. Однако до сих пор не разработана физическая модель, объясняющая все известные из экспериментов особенности поведения волокон при различных условиях испытаний и эксплуатации. Более того, многие явления, оказывающие значительное влияние на прочность и долговечность световодов, вообще выпали из поля зрения исследователей, например, процесс релаксации упругих характеристик материалов покрытий. Покажем, что релаксация оказывает существенное влияние на скорость развития под нагрузкой поверхностных микротрещин-концентраторов механических напряжений и, как правило, снижает прочностные характеристики световодов.
При расчетах долговечности или динамических разрушающих нагрузок волоконно-оптических световодов действующее растягивающее напряжение на первой неразорванной межатомной связи в вершинах поверхностных микротрещин обычно задают в виде [ 1, 2 ]:
где - приложенное к образцу растягивающее напряжение, l - глубина микротрещины, - коэффициент интенсивности напряжений, - среднее расстояние между соседними цепочками атомов в кварцевом стекле, Y - геометрический параметр, равный для цилиндрических стержней, и ? - коэффициент концентрации напряжений, причем, как следует из ( 1 ):
Уравнения ( 1 ) и ( 2 ) получены в предположении, что радиус кривизны в вершине трещины и остается постоянным в процессе ее роста, то есть для «острой» микротрещины и справедливы при .
В волокнах с полимерными покрытиями внутренние полости микротрещин частично или полностью заполнены материалом наносимого покрытия, скрепляющим противоположные берега дефектов. При этом часть упругой энергии, пропорциональная отношению модулей упругости заполняющего материала и кварцевого стекла , передается сквозь тело «залеченного» дефекта. Это приводит к уменьшению концентрации напряжений в вершине по сравнению с концентрацией, рассчитываемой по уравнению ( 2 ). Коэффициент ? в этом случае становится равным:
где d - глубина заполнения микротрещины, отсчитываемая от ее устья.
Можно предполагать, что из-за малых размеров внутренних полостей микротрещин и сильного влияния локальных электрических полей, ориентирующих оси молекул заполняющего материала перпендикулярно стенкам трещин, структура упаковки молекул материала внутри микротрещин близка к кристаллической. Поэтому значение модуля упругости «залечивающего» материала приближается к модулю упругости кварцевого стекла, так что . Заполняющий микротрещину материал обладает свойством текучести под нагрузкой. Поэтому его модуль упругости изменяется во времени согласно уравнению релаксации [ 3 ]:
где , - значения модуля упругости в момент приложения нагрузки и после окончания процесса релаксации, t - время воздействия нагрузки, - время релаксации процесса, определяемое уравнением Александрова-Гуревича [ 4 ]:
Здесь энергия активации релаксационного процесса , объем сегмента полимерной цепи , постоянная , Т- абсолютная температура среды.
Подставляя ( 5 ) и ( 4 ) в ( 3 ), получим выражение для коэффициента концентрации напряжений ? с учетом релаксации модуля упругости материала, заполняющего микротрещины:
где - коэффициент заполнения микротрещины «залечивающим» материалом.
Из уравнений ( 5 ) и ( 6 ) следует, что коэффициент ? в «залеченных» микротрещинах зависит не только от глубины дефектов l, но и от величины прикладываемой растягивающей нагрузки. При больших время релаксации мало (), модуль упругости уменьшается до минимального значения за время порядка единиц секунд, коэффициент ? возрастает до значения, определяемого линейными размерами дефекта, и трещина развивается с повышенной скоростью. При малых время большое (), и трещина растет при пониженных значениях ?, то есть с меньшей скоростью. Этот эффект не учитывается исследователями, что приводит к существенным ошибкам, например, при расчетах долговечности световодов.
Покажем, что релаксация модуля упругости материала, заполняющего внутренние полости дефектов, приводит к увеличению скорости роста микротрещин в световодах с полимерными покрытиями по сравнению со скоростью развития дефектов в непокрытых волокнах при одинаковых начальных значениях коэффициента концентрации напряжений в вершинах и одинаковых скоростях нагружения .
Как известно, во влажной атмосфере скорость роста поверхностных микротрещин под нагрузкой определяется скоростью химической реакции гидролиза кварцевого стекла в локальных областях вблизи вершин дефектов [ 5, 6, 7 ]:
где - энергия активации разрывов связей Si-O при гидролизе стекла, ? - активационный объем, C - относительная влажность среды (в долях от единицы), k и h - постоянные Больцмана и Планка, e - близкий к единице трансмиссионный коэффициент. Обработка результатов измерений скоростей роста микротрещин в массивных образцах стекла [ 6, 8 ], дала значения энергии активации и активационного объема равные и при температуре среды . С ростом температуры и ? уменьшаются. Интегрируя ( 7 ) с учетом ( 2 ) при , получаем выражение для долговечности непокрытых оболочками световодов:
где - начальное значение коэффициента концентрации напряжений в вершине микротрещины. Это уравнение с удовлетворительной точностью описывает результаты измерений долговечности непокрытых кварцевых волокон и массивных образцов из кварцевого стекла, приведенные, например, в работах [ 7, 9, 10 ].
При испытаниях волокон на разрывных машинах напряжение изменяется по закону , и уравнение ( 7 ) аналитически не интегрируется. Проведено численное моделирование процесса этих испытаний, основанное на интегрировании выражения ( 7 ) для скорости роста микротрещин, которое позволило построить полиномиальные представления для разрывных нагрузок как функции параметров , и . Обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов с использованием найденного представления для функции позволяет находить значения , и получать аппроксимирующие уравнения для зависимости от , которые обычно используются для определения параметра усталости n. (Разработанные методы расчетов будут опубликованы). Для волокон с , то есть для непокрытых световодов эта зависимость имеет вид (, ):
где в МПа и в . Сравнивая ( 9 ) с известной зависимостью разрывной нагрузки от , полученной при представлении скорости роста дефекта степенной функцией [ 10 ]:
получим выражения для параметра усталости n и коэффициента В:
Начальное значение инертной прочности определяется как значение напряжения , при котором показатель экспоненты в ( 7 ) обращается в нуль, поэтому:
Из ( 11 ) видно, что параметр n зависит от значения , то есть от начальной глубины микротрещины, и увеличивается с увеличением последней. Коэффициент В уменьшается с ростом . В непокрытых волокнах значения параметра n, рассчитанные по ( 11 ), равны 23,3 при и 35,2 при , и совпадают по величине с типичными экспериментальными значениями, измеряемыми в массивных образцах кварцевого стекла [ 8 ].
Была проведена обработка приведенных в [ 11 ] результатов динамических испытаний покрытых оболочками волокон. Методом наименьших квадратов с использованием найденного представления для функции определены значения энергии активации , и коэффициентов . Измеренные и расчетные значения , n и приведены в столбцах 1 ? 5 таблицы 1.
Таблица 1.
|
экспериментальное значение |
расчетное значение |
значение n из [ 11 ] |
расчетное значение n |
при |
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
1. |
12 |
12,8 |
20 |
18,213 |
1,0545 |
|
2. |
1,05 |
1,07 |
27 |
26,656 |
12,63 |
|
3. |
0,6 |
0,645 |
27 |
27,823 |
20,906 |
Полученное при уравнение для зависимости от имеет вид (, ):
и отличается от ( 9 ) лишь значениями числовых коэффициентов. В столбце 3 таблицы 2 приведены рассчитанные по ( 14 ) значения для волокна с начальной инертной прочностью , то есть при . Как видно, расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными, приведенными в столбце 2.
Некоторое отличие расчетных значений инертной прочности от экспериментальных, приведенных в столбцах 2 и 1 таблицы 1, по-видимому, объясняются ошибками при считывании данных с графиков из статьи [ 11 ]. Значения n, вычисленные по формулам аналогичным ( 11 ), но с коэффициентами, взятыми из уравнения ( 14 ), близки к приводимым авторами значениям. Видно, что для покрытых волокон параметр n растет с ростом .релаксация световод микротрещина волокно
Таблица 2.
№ |
|
экспериментальные значения |
, вычисленные по ( 14 ) |
при |
, вычисленные по ( 9 ) при и |
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
1. |
0,1 |
3322 |
3360 |
1,75 |
4231 |
|
2. |
1 |
3853 |
3788 |
1,683 |
4639 |
|
3. |
10 |
4236 |
4270 |
1,620 |
5085 |
|
4. |
100 |
4893 |
4814 |
1.562 |
5575 |
|
5. |
1300 |
5508 |
5502 |
1,502 |
6176 |
Из сказанного выше следует, что зависимость скорости роста микротрещин от нагрузки в покрытых волокнах хорошо аппроксимируется экспоненциальным уравнением ( 7 ), и процесс разрушения характеризуется энергией активации . Меньшее значение энергии активации означает, что скорость развития микротрещин под нагрузкой в покрытых световодах больше, чем в непокрытых волокнах при одинаковых начальных значениях и скоростях нагружения . Значит, в покрытых волокнах существуют дополнительные механизмы, увеличивающие скорость роста трещин. К таким механизмам можно отнести разрушение под нагрузкой заполняющего микротрещины материала и релаксацию модуля упругости этого материала, о которой говорилось выше. Если бы процессом, определяющим энергию активации , являлось только разрушение полимерных связей, то такое же значение энергии активации должно было бы проявляться и при статических испытаниях волокон. Однако, результатам статических испытаний покрытых волокон, полученным, например, в работе [ 12 ], соответствует энергия активации , а не как при динамических испытаниях. Такое несовпадение значений энергий активации возникает, когда начальные значения коэффициентов концентрации напряжений в вершинах микротрещин монотонно возрастают при увеличении растягивающих напряжений при статических испытаниях или при уменьшении скоростей нагружения при динамических испытаниях. Причиной таких изменений может быть релаксация модуля упругости материала, заполняющего микротрещины, о чем говорилось в начале статьи. При малых скоростях релаксация проходит более глубоко, что увеличивает начальные значения коэффициентов и приводит к более быстрому росту микротрещин при этих скоростях. При этом скорость роста трещин описывается ( 7 ) с учетом уравнения ( 6 ).
Проявление релаксации модуля упругости материала, заполняющего микротрещины, можно проиллюстрировать следующим образом. Используя уравнение ( 9 ) для непокрытых волокон и приведенные в таблице 2 экспериментальные результаты для , можно рассчитать значения при различных скоростях нагружения в предположении, что . Эти значения приведены в столбце 4 таблицы 2. Видно, что рассчитанные значения уменьшаются с ростом . Наблюдаемое поведение типично для релаксационных процессов. К сожалению, пока неизвестны параметры релаксационных процессов модуля упругости заполняющего материала, что затрудняет прямое интегрирование уравнения ( 7 ) с учетом выражения ( 6 ). Однако, некоторые оценки можно выполнить. Оценим, прежде всего, вклад релаксации упругих свойств заполняющего микротрещины материала в снижение прочности световодов. В соответствии с уравнением ( 13 ) при инертной прочности и коэффициент . Значение , рассчитанное с помощью уравнения ( 9 ) по экспериментальной разрывной нагрузке при [ 11 ], оказалось равным , что хорошо согласуется с приведенным выше значением. Можно предположить, что при столь высокой скорости нагружения релаксационные процессы не проявляются, так что найденное значение определяется размерами дефекта. В отсутствии релаксации это значение должно сохраняться при любых скоростях нагружения. В таком случае рассчитанные по уравнению( 9 ) разрывные нагрузки будут такими, как указано в столбце 5 таблицы 2. Из сравнения этих данных с экспериментальными видно, что релаксация значительно снижает прочность световодов.
Таким образом:
? материал наносимого первичного покрытия частично или полностью заполняет поверхностные микротрещины, образующиеся при вытяжке световодов, и после полимеризации «залечивает» их. Это приводит к снижению концентрации напряжений в вершинах дефектов и к повышению прочности световодов по сравнению с прочностью непокрытых волокон;
? с другой стороны, текучесть материала, заполняющего микротрещины, приводит к постепенному уменьшению его модуля упругости при воздействии нагрузки и некоторому росту концентрации напряжений в вершинах дефектов. Это значительно ухудшает прочностные характеристики световодов, особенно при малых скоростях нагружения, по сравнению с характеристиками в отсутствие релаксации напряжений. Вызванное релаксацией уменьшение прочности может достигать 1 ? 1,5 ГПа;
? с целью устранения релаксационных эффектов для первичных покрытий следует использовать материалы, имеющие меньшую текучесть под нагрузкой, например, полимеры с пространственной сшивкой молекул;
? полученные уравнения ( 9 ) и ( 14 ), аппроксимирующие зависимости от для покрытых и не покрытых оболочками волокон, позволяют проводить сравнительный анализ релаксационных свойств материалов покрытий и значительно упрощают обработку экспериментальных данных, в частности, позволяют находить значения параметров В и n по задаваемым характеристикам микротрещин.
Литература
1. Л.И. Седов: «Механика сплошной среды», т. 2., ((2.11), 530), М., «Наука», 1973 г., 584 стр.
2. Г.М. Бартенев: «Прочность и механизм разрушения полимеров», ((4.14), 77 стр.), М. «Химия», 1984 г., 280 стр.
3. В.Г. Зубчанинов: «Основы теории упругости и пластичности», «Высшая школа», 1990 г., ((13.9), стр. 293), 368 стр.
4. В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев: «Химия и физика полимеров», М., «Высшая школа», 1988 г., ((10.2), стр. 150), 312 стр.
5. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г., «Теория абсолютных скоростей реакций», Москва, Гос. изд-во иностр. лит., 1948.
6. S.M. Wiederhorn: “Influence of water vapor on crack propagation in soda-lime glass”, J. Am. Ceram. Soc., 1967, v. 50, № 7-8, p.p. 407-414.
7. В.А. Берштейн: «Механо-гидролитические процессы и прочность твердых тел», Л., «Наука», 1987 г., (стр. 50-57), 315 стр.
8. Hibino J., Sakagushi S., Tajima Y., “Crack growth in silica glass under dynamic loading”, J. Am. Ceram. Soc., 1984, v. 67, № 1, p.p.64-68.
9. B.A. Proctor, I. Whitney and J.W. Johnson: "The strength of fused silica", Proc. Roy. Soc., ser. A, v. 297, p.p. 534-542, 1967.
10. Семенов С.Л., «Надежность, прочность, старение и деградация волоконных световодов», Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства, Сборник трудов Учебно-научного центра волоконно-оптических материалов и устройств, Москва, 2000, № 3, стр. 47-63.
11. Sergei.L. Semjonov, G.Scott Glaeseman, Donald A. Clark, Mikhail M. Bubnov: "Fatigue behavior of silica fibers with different defects", SPIE vol. 4215, p.p.28-35, 2001.
12. Enrique Cuellar, Michael T. Kennedy, Daniel R. Roberts, John E. Ritter, Jr.: "Accelerated static fatigue behavior of optical glass fibers", SPIE, vol. 1973, p.p. 138-148, (1993).
Аннотация
Рассмотрено влияние релаксации модуля упругости материала, заполняющего внутренние полости дефектов световодов, на скорость развития поверхностных микротрещин под нагрузкой и на прочностные характеристики волокон. Показано, что процессы релаксации существенно ухудшают прочность и долговечность световодов.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Длины световых волн. Закон прямолинейного распространения света. Относительные показатели преломления. Явление полного внутреннего отражения для построения световодов. Вектор плотности потока энергии. Фазовая и групповая скорости монохроматической волны.
реферат [893,5 K], добавлен 20.03.2014Технология изготовления элементов интегральной оптики методом ионного обмена в стеклянных подложках. Промышленные технологии стыковки волоконных световодов и интегрально-оптических волноводов. Процесс напыления маскирующей пленки и фотолитографии.
дипломная работа [5,6 M], добавлен 09.10.2013Получение и люминесцентные свойства легированного эрбием монокристаллического кремния. Влияние дефектов и примесей на интенсивность сигнала фотолюминесценции ионно-имплантированных слоев. Безизлучательная передача возбуждений между оптическими центрами.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 06.01.2016Анализ прочности и жесткости несущей конструкции при растяжении (сжатии). Определение частота собственных колебаний печатного узла. Анализ статической, динамической прочности, а также жесткости печатного узла при изгибе, при воздействии вибрации и ударов.
курсовая работа [146,3 K], добавлен 11.12.2012Изучение фотоэлектрических свойств полупроводников для выявления физических закономерностей в различных структурах. Полупроводниковые свойства хлопковых волокон. Рассмотерние особенностей сорта электрических свойств хлопковых волокон "Гульбахор".
реферат [13,0 K], добавлен 22.06.2015Принцип действия генератора импульсного напряжения. Характеристики вакуумных разрядников, условия развития пробоя. Исследование электрической прочности РВУ-43, РВУ-53. Расчеты распределения электрического поля в них при помощи программного пакета Comsol.
дипломная работа [8,7 M], добавлен 14.02.2014Использование для силовых кабелей изоляции из современных полиолефиновых материалов, подвергаемых вулканизации. Ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления. Основные способы сшивания термопластичных материалов.
презентация [1,2 M], добавлен 07.11.2013Понятие и принципы определения предела прочности при сжатии отдельного образца в мегапаскалях. Определение конца схватывания. Порядок проведения фазового анализа порошковых материалов, цели и задачи. Сплошное и характеристическое рентгеновское излучение.
реферат [272,0 K], добавлен 10.09.2015Диэлектрические материалы для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. Электропроводность диэлектриков. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов.
реферат [201,9 K], добавлен 07.11.2013Анализ физико-химических свойств теплоизоляционных материалов. Разработка композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности. Влияние пористости вещества на процессы охлаждения. Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 20.06.2013Изучение общих характеристик прочности, а также исследование структуры сталей. Рассмотрение основных методов определения магнитных и деформационных характеристик. Описание зависимости магнитных свойств от степени деформации сдвига металла при кручении.
реферат [460,1 K], добавлен 20.04.2015Хрупкое и пластическое разрушение материалов. Динамические нагрузки. Деформационные и прочностные свойства (статической и динамической трещиностойкости) сферопластика с матрицей из полиэфирной смолы и армирующего наполнителя из стеклянных микросфер.
реферат [373,7 K], добавлен 18.12.2012Основные закономерности развития и особенности формирования регулярных поверхностных микро- и наноструктур. Анализ получения регулярных поверхностных и пористых микро- и наноструктур с использование методов объемной микрообработки и фотолитографии.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 08.10.2015Особенности и суть метода сопротивления материалов. Понятие растяжения и сжатия, сущность метода сечения. Испытания механических свойств материалов. Основы теории напряженного состояния. Теории прочности, определение и построение эпюр крутящих моментов.
курс лекций [1,3 M], добавлен 23.05.2010Свойства звукоизоляции и звукопроницаемости материалов. Определение звукоизоляции образца звукоизоляционного материала с помощью акустического интерферометра. Характеристики погрешности измерений. Оценка погрешности измерений звукоизоляции образца.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 24.06.2012Гипотезы сопротивления материалов, схематизация сил. Эпюры внутренних силовых факторов, особенности. Три типа задач сопротивления материалов. Деформированное состояние в точке тела. Расчёт на прочность бруса с ломаной осью. Устойчивость сжатых стержней.
курс лекций [4,1 M], добавлен 04.05.2012Физические основы различных распылений: ионного, катодного, магнетронного, высокочастотного. Получение покрытий распылением в несамостоятельном газовом разряде. Методы контроля параметров осаждения покрытий. Вакуумная металлизация полимерных материалов.
курсовая работа [457,3 K], добавлен 19.01.2011Адгезия и методы ее измерения. Основные свойства силицидов молибдена и защитных покрытий на их основе. Метод акустической эмиссии и его применение для изучения разрушения покрытий и материалов. Получение образцов молибдена с силицидными покрытиями.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 22.06.2012Определение линейных скоростей и ускорений точек звеньев механизма; расчётных участков бруса; реакции опор из условий равновесия статики; внутреннего диаметра болта. Расчет передач с эвольвентным профилем зубьев; прочности стыкового соединения детали.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 07.04.2011Влияние канального эффекта на скорость детонации шпурового заряда ВВ в зависимости от скорости распространения ударной волны по радиальному зазору между стенкой шпура и боковой поверхностью патронов ВВ. Определение оптимальных параметров заряжания ВВ.
статья [643,9 K], добавлен 28.07.2012