保偏光纖斷裂形式分析

韓志輝,張 勇,龐 璐,姚 庚

(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

所謂材料的理論強度,就是從理想狀態下分析材料所能承受的最大應力。從原子(離子)間的結合的情況看,是分離原子(離子)所需最小的力。圖1所示為晶格能和應力隨原子間距的變化。

圖1 晶格能和應力隨原子間距的變化

當原子間距r=r0時,原子間相互作用力為零,此時r0稱為平衡距離。當r=r0+a時,原子間的合力為最大,此時表示物質具有最大的強度,即理論強度σth。

由材料在斷裂時形成新表面所作的功可得到下列表達式:

(1)

其中,α為每一緊鄰原子對的間距；E為彈性模量；γ為表面能。對于石英(SiO2)而言,E=72.2GPa=7367 kg/mm2,α=2 ?=2×10-7mm,γ=7×10-5kg/mm。

由于該模型基于石英光纖,代入可得光纖其理論斷裂力為σth=16050 N。實際同直徑保偏光纖的強度會遠低于該理論值,實際強度與理論強度的巨大差距的原因,是由于石英玻璃的脆性,石英表面或內部存在有微裂紋,以及受到強外力造成的力學受創點(薄弱點)所引起,由于石英玻璃內部或外部應力作用時不會產生流動及塑性變形,表面上的微裂紋或力學受創點便會擴展并且應力集中以致破裂,通常根據斷裂時間[1]及斷裂現象,我們將其稱為“延展性斷裂” 和“脆性斷裂”。

2 斷裂的形式及分析

石英玻璃材料為脆性材料,光纖斷裂實際上是裂紋形成和擴展的過程。對于“延展性斷裂”和“脆性斷裂”。前者在斷裂前其表面無大范圍形變、損傷,而是由于極微小內部或外部缺陷點,斷裂時形成缺陷點、鏡面區、羽狀區、擴散區[2]四個部分,最終形成如圖2(a)所示的標準圖；圖2(b)則是受到強外力“鈍性沖擊”在極短的時間內發生斷裂或重大損傷,其斷裂表現沒有明顯的范圍性、沒有延展性變形的痕跡,最終斷面會出現層次感很強的“碎裂斷面”,下面我們對兩種形式的斷裂進行具體分析。

圖2 斷裂形式特征圖

2.1 延展性斷裂過程分析

對于延展性斷裂的分析,我們基于格里菲斯(Greafith)的裂紋發展理論。該理論認為:材料中有微小裂紋存在引起應力集中,使得光纖自身斷裂強度下降。對應一定尺寸的裂紋,存在臨界應力σc,當外應力小于σc時裂紋不能擴展,只有當外應力大于σc時裂紋才能擴展并導致斷裂,保偏光纖也適應該原理。

斷裂產生新的表面所需的表面能是由于材料內部的彈性儲能減小來補償的,當對平板彈性體施加負荷時,若裂紋半長為α,在裂紋長度增加dα時。其表面能增加:

U1=4αγ*

(2)

式中,γ*為單位長度裂紋的表面能,此時,彈性應變能減小:

U2=-πα2σ2/E

(3)

其中,E為彈性模量。圖3中表示出了U1,U2,U1+U2和裂紋長度的關系。如果裂紋長度超過了U1+U2的極大值所對應的長度,它便可以擴展,反之,則不能擴展。對存在一個寬度為2α的裂紋,可以由d(U1+U2)/dα=0求出一個臨界應力σc,并且有:

(4)

圖3 格里菲斯裂紋及其能量關系

當外應力大于這一臨界值時裂紋便開始擴展。格里菲斯理論中的“應力集中概念”是非常重要的概念,它是“延展性斷裂”的典范。裂紋的尖角處存在著應力集中,即尖角處的應力遠大于受應力體內的其他部位,在外負荷的作用下,經過一段時間后,裂紋尖角處的應力越來越大,超過臨界應力時,裂紋會迅速擴展,使石英光纖斷裂。由此可見,“應力集中”是“延展性斷裂”的根源,典型的格里菲斯模型斷裂圖如圖4所示。

圖4 典型“格里菲斯”(Greafith)的裂紋發展圖例

2.2 脆性斷裂過程分析

對于保偏光纖光纖而言,常采用下式來表征斷裂強度與裂紋尺寸[3-4](即形狀)的關系:

(5)

式中，αc為臨界裂紋尺寸；KIC為臨界應力強度因子，為0.79 GPa；Y為幾何形狀因子,對于垂直于光纖軸半圓形的裂紋(影響保偏光纖最重要的裂紋形狀)來說,Y為1.25[4]；σf為測得的拉伸強度。用式(5)經簡單計算結果如表1所示。

表1 石英光纖臨界微裂紋計算值

圖5 篩選應變與臨界微裂紋的關系曲線

通過分析,如果理論拉伸強度無限大,即便在沒有微裂紋的情況下,光纖依然會發生斷裂或崩裂,這種斷裂在極短時間內完成,力作用效果極大,以時間角度描述,該現象屬于“瞬時斷裂”,以力學作用結果角度描述,該現象就是我們所說的“脆性斷裂”,對于典型的“脆性斷裂”,其典型特征圖從顯微鏡[5](奧林巴斯BX51)呈現如圖6所示。實際在保偏光纖應用的過程中存在意外的情況,光纖有可能出現大強度損傷,從而加重了斷裂效果。

同時,如果式(5)幾何形狀因子Y,由于在極短時間內達到非常小的極限值,即存在大尺寸崩壞、結構損傷,在此種狀態下,即便外力在很小的狀態下,也會發生無延時斷裂,瞬間崩碎,形成圖5所示結果。此類斷裂成像亦無“缺陷點、鏡面區、羽狀區、擴散區”四部分,為“非延展性斷裂”。形成如圖6所示的斷面形狀。

圖6 典型脆性斷裂圖像

故形成保偏光纖“脆性斷裂”的原因,主要有以下三點:

(1)在保偏光纖制備過程中,由于預制棒加工過程產生力學弱點或結構損傷,特別是殘存的大尺寸微裂紋,都會大幅降低Y值,進而最終產生“脆性斷裂”；

(2)在保偏光纖拉制過程中,由于光纖收纖時可能存在高應力光纖擠壓、不規則疊壓,形成深層次結構損傷,也是造成“脆性斷裂“的重要因素；

(3)測試及使用過程中,無規則隨機大強度外力施加于光纖,造成光纖內部石英部分應力失衡、結構損傷及形變,形成“受創區域”,如果光纖在此種狀態下受到劇烈的環境變化、或受到遠大于所能承受拉力或長期置于小半徑彎曲狀態,便會直接導致光纖 “脆性斷裂”,使其失效。

后續我們將通過實驗,驗證“脆性斷裂“的成因,找出規避”脆性斷裂“的方法。

3 對于“脆性斷裂”成因的驗證

本實驗主要通過對無缺陷保偏光纖進行破壞性試驗,找出造成“脆性斷裂”的原因。實驗方法匯總于表2。

表2 “ 脆性斷裂”實驗方法匯總

圖7 實驗1斷裂方式示意圖

圖8 實驗2斷裂方式示意圖

圖9 實驗3斷裂方式示意圖

通過顯微鏡(BX51)得到的測試結果如圖10～圖12所示。

(1)圖10為實驗方法1所得圖像。

圖10 實驗方法1測試圖

(2)圖11為實驗方法2所得圖像。

圖11 實驗方法2測試圖

(3)圖12為實驗方法3所得圖像。

圖12 實驗方法3測試圖

4 結 論

通過“脆性斷裂“實驗,測試圖像能夠有效反映保偏光纖應用過程中“脆性斷裂”成像吻合,證明保偏光纖的脆性斷裂與外力造成的力學受創點的形狀、深度密切相關,也與所施加的外力大小關系密切,因此在保偏光纖制備中,應當通過設備升級、工藝優化,盡量避免大尺寸微裂紋的產生；同時在收纖、使用中盡量避免不必要的接觸式高強度外力沖擊,提高操作人員能力、加強過程控制管理水平。

綜上,本文通過對于光纖斷裂機理的分析,明確了保偏光纖的斷裂形式,通過對于斷裂形式的分析及研究,我們明確了“延展性斷裂“與”脆性斷裂“的差異,最終通過實驗驗證得到了”脆性斷裂“產生原因及表現形式,對于今后保偏光纖應用過程中的機械損傷控制及損傷原因分析,起到了一定的指導作用。