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(tài)下分析材料所能承受的最大應(yīng)力。從原子(離子)間的結(jié)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(yīng)力隨原子間距的變化。

圖1 晶格能和應(yīng)力隨原子間距的變化

當(dāng)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(dāng)r=r0+a時,原子間的合力為最大,此時表示物質(zhì)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(nèi)部存在有微裂紋,以及受到強外力造成的力學(xué)受創(chuàng)點(薄弱點)所引起,由于石英玻璃內(nèi)部或外部應(yīng)力作用時不會產(chǎn)生流動及塑性變形,表面上的微裂紋或力學(xué)受創(chuàng)點便會擴展并且應(yīng)力集中以致破裂,通常根據(jù)斷裂時間[1]及斷裂現(xiàn)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(nèi)部或外部缺陷點,斷裂時形成缺陷點、鏡面區(qū)、羽狀區(qū)、擴散區(qū)[2]四個部分,最終形成如圖2(a)所示的標(biāo)準圖；圖2(b)則是受到強外力“鈍性沖擊”在極短的時間內(nèi)發(fā)生斷裂或重大損傷,其斷裂表現(xiàn)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(xiàn)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(fā)展理論。該理論認為:材料中有微小裂紋存在引起應(yīng)力集中,使得光纖自身斷裂強度下降。對應(yīng)一定尺寸的裂紋,存在臨界應(yīng)力σc,當(dāng)外應(yīng)力小于σc時裂紋不能擴展,只有當(dāng)外應(yīng)力大于σc時裂紋才能擴展并導(dǎo)致斷裂,保偏光纖也適應(yīng)該原理。

斷裂產(chǎn)生新的表面所需的表面能是由于材料內(nèi)部的彈性儲能減小來補償?shù)?當(dāng)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?xí)r。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(yīng)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(guān)系。如果裂紋長度超過了U1+U2的極大值所對應(yīng)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(yīng)力σc,并且有:

(4)

圖3 格里菲斯裂紋及其能量關(guān)系

當(dāng)外應(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中,即尖角處的應(yīng)力遠大于受應(yīng)力體內(nèi)的其他部位,在外負荷的作用下,經(jīng)過一段時間后,裂紋尖角處的應(yīng)力越來越大,超過臨界應(yīng)力時,裂紋會迅速擴展,使石英光纖斷裂。由此可見,“應(yīng)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(fā)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(guān)系:

(5)

式中，αc為臨界裂紋尺寸；KIC為臨界應(yīng)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(jīng)簡單計算結(jié)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(yīng)變與臨界微裂紋的關(guān)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(fā)生斷裂或崩裂,這種斷裂在極短時間內(nèi)完成,力作用效果極大,以時間角度描述,該現(xiàn)象屬于“瞬時斷裂”,以力學(xué)作用結(jié)果角度描述,該現(xiàn)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(xiàn)如圖6所示。實際在保偏光纖應(yīng)用的過程中存在意外的情況,光纖有可能出現(xiàn)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(nèi)達到非常小的極限值,即存在大尺寸崩壞、結(jié)構(gòu)損傷,在此種狀態(tài)下,即便外力在很小的狀態(tài)下,也會發(fā)生無延時斷裂,瞬間崩碎,形成圖5所示結(jié)果。此類斷裂成像亦無“缺陷點、鏡面區(qū)、羽狀區(qū)、擴散區(qū)”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(yù)制棒加工過程產(chǎn)生力學(xué)弱點或結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)力光纖擠壓、不規(guī)則疊壓,形成深層次結(jié)構(gòu)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(guī)則隨機大強度外力施加于光纖,造成光纖內(nèi)部石英部分應(yīng)力失衡、結(jié)構(gòu)損傷及形變,形成“受創(chuàng)區(qū)域”,如果光纖在此種狀態(tài)下受到劇烈的環(huán)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(tài),便會直接導(dǎo)致光纖 “脆性斷裂”,使其失效。

后續(xù)我們將通過實驗,驗證“脆性斷裂“的成因,找出規(guī)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(jié)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(jié) 論

通過“脆性斷裂“實驗,測試圖像能夠有效反映保偏光纖應(yīng)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(xué)受創(chuàng)點的形狀、深度密切相關(guān),也與所施加的外力大小關(guān)系密切,因此在保偏光纖制備中,應(yīng)當(dāng)通過設(shè)備升級、工藝優(yōu)化,盡量避免大尺寸微裂紋的產(chǎn)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(chǎn)生原因及表現(xiàn)形式,對于今后保偏光纖應(yīng)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(dǎo)作用。