Трещиностойкость, прочность и динамическая усталость кварцевых волокон с медными покрытиями

Металлизированные покрытия позволяют существенно улучшить эксплуатационные свойства кварцевых волокон. Целью работы было определение трещиностойкости, прочности и динамической усталости оптических волокон без покрытия и с медными покрытиями. Микротвердость кварцевых волокон измеряли методом алмазного индентирования торцевых поверхностей. Параметр интенсивности напряжений K1c был найден из полуэмпирической зависимости А. Ниихары, геометрию отпечатка и радиальных трещин исследовали на сканирующем электронном микроскопе. Трещиностойкость кварца без покрытия оказалась почти в 3 раза меньше, чем у волокна в медном покрытии, что, полагаем, связано с аддитивным вкладом сжимающих напряжений на поверхности волокон и смачиванием кварца медью. Вытяжка оптического волокна с медным покрытием повышает предел прочности, трещиностойкость и параметр динамической усталости и является главным ресурсом сохранения эксплуатации волокна в условиях статистического подхода к конструкционной прочности. Проведены сравнительные испытания на прочность оптических волокон методами двухточечного изгиба и осевого растяжения. Результаты экспериментальных испытаний предела механической прочности кварцевых оптических волокон показали значительный разброс данных, что свидетельствует о наличии в хрупком теле трещин различного размера и является характерной особенностью хрупкого разрушения, как и предполагала теория А. Гриффитса. Кроме того, принималось, что хаотичное распределение дефектов и микротрещин распространяется по всей длине хрупкого тела, в данном случае кварцевого оптического волокна. Для описания поверхностных микротрещин в зависимости от длины волокна использована статистическая модель, основанная на распределении В. Вейбулла. Построены графики В. Вейбулла в координатах, связывающих вероятность разрушения с прочностью, длиной волокна и параметром, описывающим предельную прочность.

1. Wuilpart M., Gusarov A., Leysen W., Batistoni P., Moreau P., Dandu P., Megret P. Polarimetric optical fibre sensing for plasma current measurement in thermonuclear fusion reactors. In: Proc. 22-nd Intern. conf. on transparent optical networks (ICTON). Bari, Italie, 2020. P. 1—4. DOI: 10.1109/ICTON51198.2020.9203467.

2. Li Bo, Zhao J., Pan A., Mirzazadeh M., Ekici M., Zhou Q., Liu W. Stable propagation of optical solitons in fiber lasers by using symbolic computation. Int. J. Light Electr. Optics. 2019. Vol. 178. P. 142—145. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.09.135.

3. 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.

4. 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. Кр. сообщ. по физике ФИАН. 2019. No. 9. C. 9—13. Bulatov M.I., Azanova I.S., Kosolapov A.F., Smirnova A.N., Saranova I.D. Effect of below-freezing temperature on optical loss of polyimide-coated optical fibers. Bull. Lebedev Phys. Inst. 2019. Vol. 46. No. 9. P. 9—13. DOI: 10.3103/S1068335619090021.

5. Alexis Mendez, Morse T.F. Specialty optical fibres handbook. Acad. Press, Elsiver, 2007.

6. DiMarcello F.V., Hart A.C., Williams J.C., Kurkjian C.R. High strength furnace-drawn optical fibers. In: Fiber optics: Advances in research and development. N.Y.: Plenum Publ. Corp., 1979. P. 125—135. DOI: 10.1007/978-1-4684-3492-7_7.

7. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. Philos. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1920. Vol. 221. P. 163—198.

8. Irwin G.R. Analysis of Stresses and Strains near the end of a crack traversing a plate. J. Appl. Mech. 1957. Vol. 24. P. 361—364.

9. Muraoka M., Abe H. Subcritical crack growth in silica optical fibers in wide range of crack velocities. J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79(1). P. 51—57. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1996.tb07879.x.

10. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. М.: Наука, 1989. Kolesnikov Yu.V., Morozov E.M. Contact fracture mechanics. Moscow: Nauka, 1989 (In Russ.).

11. Arridge R.G.C., Heywood D. The freeze-coating of filaments. Brit. J. Appl. Phys. 1967. Vol. 18. P. 447—457.

12. Pinnow D.A., Robertson G.D., Wysocki J.A. Reductions in static fatigue of silica fibers by hermetic jacketing. Appl. Phys. Lett. 1979. Vol. 34 (1). P. 17—19.

13. Severin I., Rochdi El Abdi. Mechanical and chemical characteristics of hermetically coated silica optical fibre. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 2494—2499.

14. Гогоци Г.А., Башта А.В. Исследование керамики при внедрении алмазной пирамиды Виккерса. Пробл. прочности. 1990. No. 9. С. 49—54. Gogotsi G.A., Bashta A.V. The study of ceramics with the Vickers diamond pyramid. Problemy prochnosti. 1990. No. 9. P. 49—54 (In Russ.).

15. Matthewson M.J., Kurjian C.R., Gulati S.T. Strength measurement of optical fibers by bending. J. Am. Ceram. Soc. 1986. Vol. 69 (11). P. 815—821. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1986.tb07366.x

16. Griffioen W. Effect of nonlinear elasticity on measured fatigue data and lifetime estimations of optical fibers. J. Am. Ceram. Soc. 1992. Vol. 75 (10). P. 2692—2696.

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

18. Biriukov A.S., Bogatyrjov V.A., Lebedev V.F., Sysolyatin A.A., Khitun A.G. Strength and reliability of metal-coated optical fibers at high temperatures. MRS Online Proceeding Library. 1998. Vol. 531. P. 297—300. DOI: 10.1557/PROC-531-297.

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

20. Булатов М.И., Шацов А.А. Прочность и трещиностойкость кварцевых волокон с полиимидными покрытиями. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021. Т. 15. No. 2. С. 22—30. Bulatov M.I., Shatsov A.A. Strength and crack resistance of quartz fibers with polyimide coatings. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya (Powder Metallurgy and Functional Coatings). 2021. Vol. 15. No. 2. P. 22—30 (In Russ.).

21. Байкова Л.Г., Песина Т.И., Kurkjian C.R., Tang Zh., Киреенко М.Ф., Тихонова Л.В. О методике определения истинной прочности неорганических стекол. Журн. техн. физики. 2003. Т. 83. С. 55—60. Baikova L.G., Pesina T.I., Kurkjian C.R., Tang Zh., Kireenko M.F., Tikhonova L.V. On the method for determining the true strength of inorganic glasses. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki (Technical Physics Journal). 2003. Vol. 83. P. 55—60 (In Russ.).

22. Kurkjian C.R., Gupta P.K., Brow R.K., Lower N. The intrinsic strength and fatigue of oxide glasses. J. Non-Crystal. Solids. 2003. Vol. 316. P. 114—124.

23. Zhangwei Ma., Zhifeng W., Huanhuan Liu, Fufei P., Zhenyi C., Tianxing W. Tensile strength and failure behavior of bare mode fibers. Opt. Fiber Tecnol. 2019. Vol. 52. P. 1—5. DOI: 10.1016/j.yofte.2019.101966.

24. Bogatyrjov V.A., Bubnov M.M., Dianov E.M., Makarenko A.Y., Rumyantsev S.D., Semjonov S.L., Sysoljatin A.A. High-strength hermetically tin-coated optical fibers. Opt. Fiber Communic. 1991. Vol. 4. Paper WL9. P. 115. DOI: 10.1364/ofc.1991.wl9.

25. Tuzzolo M.R., Allegretto A.E., Urruti E.H. Hermetic product performance: ensuring the uniformity of the carbon layer. Proc. Int. Wire Cable Symp. 1993. P. 381—385.

26. Иоффе М.А. Теория литейных процессов: Учеб. пос. в 2 т. Т. 1. СПб.: Изд-во СЗТУ. 2009. Ioffe M.A. The theory of foundry processes: an educational and methodological complex. Vol. 1. St. Petersburg: Izd-vo SZTU, 2009 (In Russ.).

27. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. Metallurgy and heat treatment of non-ferrous metals and alloys. Moscow: Metallurgiya, 1981 (In Russ.).