Прочность и трещиностойкость кварцевых волокон с полиимидными покрытиями

Полиимидные покрытия в настоящее время обеспечивают наиболее высокие эксплуатационные свойства кварцевых волокон. Целью работы являлось определение прочности, твердости, динамической усталости, периода сохранения работоспособности и трещиностойкости оптических волокон с полиимидными покрытиями. Методом осевого растяжения на расстояние между кабестанами 500 мм определен предел прочности волокон, который составил 4,8– 6,0 ГПа при скорости нагружения 10–500 мм/мин. Построены графики статистики В. Вейбулла в координатах, связывающих вероятность разрушения с прочностью, длиной волокна и параметром, описывающим предельную прочность. Найден показатель динамической усталости (n), который по физическому смыслу соответствует тангенсу угла наклона tgα = 1/(1 + n) в двойных логарифмических координатах. Значения твердости и трещиностойкости кварцевых волокон измерены методом индентирования. Для вычисления трещиностойкости (K1c) использовали полуэмпирическую зависимость А. Ниихары, связывающую размер отпечатка, длину радиальной трещины и трещиностойкость. С помощью сканирующей электронной микроскопии рассчитана исходная длина трещины и определен размер характерного дефекта. Методом термогравиметрии показано, что волокна с полиимидным покрытием сохраняют термическую стабильность до 450 °С. На основе данных по динамической усталости определен срок службы оптических волокон, который при нагрузке 0,2 ГПа составил не менее 25 лет. Параметр распределения (m), описывающий предельную прочность оптических волокон, был тем больше, чем сильнее отличались нижний уровень прочности от верхнего при испытании на растяжение отрезков волокон. Значения этого параметра характеризуют качество волокна: m = 50÷100 для волокон с покрытием и m = 1÷5 без него.

1. Delobelle B., Perreux D., Delobelle P. Failure of nano- structured optical fibers by femtosecond laser procedure as a strain safety-fuse sensor for composite material applications. Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 210. P. 67—76. DOI: 10.1016/j.sna.2014.02.008.

2. Sumukh N.R, Srivastava S., Gowrishankar R. Non-reciprocal biasing for performance enhancement of the resonant fiber gyroscope with «Reflector» using In-line Faraday rotators: Design, analysis and characterization. Optical Fiber Technology. 2019. Vol 53. 2019. P. 1—8. DOI: 10.1016/j.yofte.2019.102038.

3. Overton B.J., Gooijer F., Krabsuis G. An optical fiber with advanced polyimide coating. In: Proceedings of the 61-th International Wire and Cable Symposium Providence. 2012. P. 321—328.

4. Lei H., Robert S.D., Ralph J.L., Stolov A.A., Jie Li. Mechanical properties of polyimide coated optical fibers at elevated temperatures. Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications. 2016. Vol. 9702. P. 1—8. DOI: 10.1117/12.2210957.

5. Lemaire P.J. Reliability of optical fibers exposed to hydrogen: prediction of long-term loss increases. Optical Eng. 1991. Vol. 30 (6). P. 780—789. DOI: 10.1117/12.55865.

6. Stolov A.A., Simoff D.A., Jie Li. Thermal stability of specialty optical fibers. J. Lightwave Technol. 2008. Vol. 26. P. 3443—3451. DOI: 10.1109/jlt.2008.925698.

7. Stolov A.A., Slyman B.E., Simoff D.A., Hokansson A.S., Allen R.S., Earnhardt J.P. Optical fibers with polyimide coatings for medical applications. Design and Quality for Biomedical Technologies. 2012. Vol. 8215. P. 1—10. DOI: 10.1117/12.916858.

8. Семенов С.Л., Сапожников Д.А., Ерин Д.Ю., Забегаева О.Н., Куштавкина И.А., Нищев К.Н., Выгодский Я.С., Дианов Е.М. Высокотемпературное полиимидное покрытие для волоконных световодов. Квантовая электроника. 2015. Т. 45(4). С. 330—332. DOI: 10.1070/QE2015v045n04ABEH015720.

9. Виноградова С.В., Васнев В.А., Выгодский Я.С. Кардовые полигетероарилены. Синтез, свойства и своеобразие. Успехи химии. 1996. Т 65. No. 3. С. 249—277.

10. Косолапов А.Ф., Пластинин Е.А., Семенов С.Л., Байминов С.Л., Сапожников Д.А., Алексеева Д.Д., Выгодский Я.С. Высокотехнологичный полиимидный лак для изготовления волоконного световода. Краткие сообщения по физике ФИАН. 2017. No. 6. С. 9—14.

11. France P.W., Dunn P.L., Reeve M.H. Plastic coating of glass fibers and its influence on strength. Fiber and Integrated Optics. 1979. Vol. 2. P. 267—286. DOI: 10.1080/01468037908202106.

12. Либовиц Г. Математические основы теории разрушения. Т. 2. М.: Мир, 1975.

13. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.: АН СССР, 1957.

14. Метклаф А.Дж., Эберт Л.Дж., Райт П.К., Кляйн М.Дж. Поверхности раздела в металлических композитах. Т. 1. Композиционные материалы. Пер. с англ. М.: Мир, 1978.

15. Дяченко А.А., Шушпанов О.Е. Термодинамическая модель разрушения кварцевого стекла и световодов. Нелинейный мир. 2009. Т. 7. No. 4. С. 239— 283.

16. Волынский А.Л. Эффект Ребиндера в полимерах. Природа. 2006. No. 11. С. 11—20.

17. Volynsky A.L. The Rebinder effect in polymers. Priroda. 2006. No. 11. P. 11—20 (In Russ.).

18. Glaesemann G.S., Gulati S.T. Design methodology for the mechanical reliability of optical fiber. Optical Eng. 1991. Vol. 30. P. 709—715. DOI: 10.1117/12.55870.

19. Wiederhorn S.M. Influence of water vapor on crack propagation in soda-lime glass. J. Amer. Ceramic Soc. 1967. Vol. 50 (8). P. 407—414. DOI: 10.1111/j.11512916.1967.tb15145.x.

20. Hillig W.B. Sources of weakness and the ultimate strength of brittle amorphous solids. In: Modern aspects of the vitreous state (Ed. MacKenrie Y.D.). 1962. Vol. 2. P. 152—194.

21. Chean V., Robin E., Abdi R., Sangleboeuf J. Study of the mechanical behavior of the optical fiber by a marktracking method. Eur. Phys. J. Conf. 2010. Vol. 6. P. 1—8. DOI: 10.1051/epjconf/20100634002.

22. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability. J. Appl. Mech. 1951. Vol. 18. P. 293—297.

23. Богатырев В.А., Бубнов М.М., Вечканов Н.Н., Гурьянов А.Н., Семенов С.Л. Прочность стеклянных волоконных световодов большой длины. Труды ИОФ РАН. Волоконная оптика. 1987. Т. 5. С. 60—72.

24. Dipak R.B. Characterization of polyimide-coated optical fibers. Optical Eng. 1991. Vol. 30. No. 6. P. 772—775. DOI: 10.1117/12.55860.

25. Craig S.P., Duncan W.J., France P.W., Snodgas J.E. The strength and fatigue of large flaws in silica optical fiber. Proc. 8-th European Conf. on Optical Communication. 1982. P. 205—208.

26. Гогоци Г.А., Башта А.В. Исследование керамики при внедрении алмазной пирамиды Виккерса. Проблемы прочности. 1990. No. 9. С. 49—54.

27. Wiederhorn S.M. Fracture surface energy of glass. J. Amer. Ceram. Soc. 1969. Vol. 52. P. 99—105. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1969.tb13350.x.

28. Sebastian B., Kurt E.J., Hamad U.R., George M.P. Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica. J. Amer. Ceram. Soc. 2017. P. 1—13. DOI: 10.1111/jace.14734.

29. Булатов М.И., Азанова И.С., Косолапов А.Ф., Смирнова А.Н., Саранова И.Д. Исследование влияния отрицательных температур на оптические потери волоконного световода в защитно-упрочняющем покрытии на основе полиамидокислоты. Краткие сообщения по физике ФИАН. 2019. No. 9. С. 9—13.

30. Ахмед Б.Б., Нищев К.Н., Пыненков А.А., Моисеев Н.В. Определение термостойкости оптических волокон. Ж. прикл. физики. 2017. No. 5. С. 82—86.

31. Zhangwei Ma, Zhifeng Wang, Huanhuan Liu, Fufei Pang, Zhenyi Chen, Tigyun Wang. Tensile strength and failure behavior of bare single mode fibers. Optical Fiber Technol. 2019. No. 52. P. 1—5. DOI: 10.1016/j.yofte.2019.101966.

32. Vincenzo M.S., Diego P., Francesco S., Nadia G.B., Edoardo C., Giuseppe F., Daniel M. Mechanical properties of resorbable calcium-phosphate glass optical fiber and capillaries. J. Alloys Compd. 2019. No. 778. P. 410—417. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.033.

33. Biswas D.R. Optical fiber coatings for biomedical applications. Optical Eng. 1992. Vol. 31. P. 1400—1403. DOI: 10.1117/12.57701.

34. Melin G., Guitton P., Montron R., Gotter T., Robin T., Overton B., Rizzolo S., Girard S. Radiation resistant singlemode fiber with different coatings for sensing in high dose environments. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2018. No. 7. P. 1657—1662. DOI: 10.1109/TNS.2018.2885820.

35. Ricardo E.M. Mechanical properties of weak optical fibers. Optical Fiber Reliability and Testing. 1999. No. 3848. P. 28—33.