Главная  Развитие оптической связи 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [ 80 ] [81] [82] [83] [84] [85] [86]

(при наличии в кабеле токопроводящих элементов) и целостность элементов конструкции ОК.

Надежность ОК определяется двумя основными параметрами: надежностью ОВ и надежностью прочих элементов, входящих в конструкцию ОК. Надежность ОВ зависит от целого ряда причин. Механическая надежность характеризует вероятность того, что в заданный промежуток времени не произойдет разрушения световода. Разрушение световода может произойти из-за наличия остаточных термоупругих напряжений, растягивающих усилий, дефектов на поверхности или внутри световода, коррозионных процессов на поверхности. Остаточные термоупругие напряжения возникают при изготовлении световода и вносят вклад в процесс его разрушения.

Световоды состоят из слоев в разной степени легированного и чистбго кварца, и при охлаждении в них возникают термоупругие нагфяжения: их внутренние слои, как правило растянуты, а наружный слой сжат [78].

При наличии внешней растягивающей силы сердцевина испытывает повышенную растягивающую нагрузку (сумма остаточного термоупругого и внешнего растяжегшй), а растяжение оболочки под воздействием внешней силы уменьшается из-за остаточного термоупругого сжатия. В многослойных световодах процесс разрушения сердцевины ускоряется, а коррозионный процесс разрушения поверхности волокна замедляется благодаря остаточным термоупругим напряжениям. Наличие внутренних напряжений может привести к разрушению световода даже в отсутствие внешнего растяжения.

Значение остаточных термоупругих напряжений составляет около 8,84 МПа. Например [78], растягивающие нагрузки на ОВ от внешних факторов составляют при изготовлении ОК около 34,4 МПа; при прокладке ОК-около 49 МПа; при изменении температуры в рабочем интервале-около 27,5 МПа.

Для предотвращения разрушения из-за термоупругих напряжений стекло подвергают предварительному отжигу и вакуу-мированию. Уменьшение остаточных термоупругих напряжений также достигается сближением ТКЛР и температур стеклования слоев в световоде.

При растяжении стекло упруго удлиняется до определенного предела, а затем происходит его разрушение. Деформация кварцевого ОВ обычно не превышает 1% (рис. 12.1). Теоретическое значение прочности стекла определяется прочностью связей компонентов, из которых оно состоит. Разрушающая деформация зависит от числа связей, приходящихся на 1 см материала, и их средней прочности.

Оптические волокна неоднородны из-за наличия неоднородностей в составе стекла и различных дефектов материала в виде микротрещин, посторонних включений, структурных дефектов





--i-- S/o

70" 10 10~ W We

Рис. 12.2. Форма гапотетичес-кой микротрещины Гриффита: /-световод; 2-трещина

Рис. 12.1. Зависимость растягивающего напряжения СТр от относительной

деформации е:

/-стальная проволока; 2-углеродное волокно; 3-кварцевый световод; 4-высокопрочная синтетическая нить (типа кевлар)

И Т. Д. Под воздействием механической нагрузки (например, растяжения) эти дефекты, являющиеся механическими концентраторами напряжений, приводят к разрушению ОВ. Исследования поверхности в месте разрушения волокна показывают, что ] оно может начинаться как снаружи (с поверхности), так к и изнутри. Для обоих случаев прочность ОВ определяется Т степенью концентрации напряжений = uJuo, где a„-напря-I жение в окрестности дефекта, а а о-среднее значение напряжения, действующего вдали от дефекта.

Процесс разрушения изнутри определяется термофлуктуациоп-ным механизмом. При этом разрыв механических связей между молекулами в вершине трещины происходит под воздействием тепловых флуктуации и напряжения растяжения. Скорость процесса разрушения обычно незначительна, так как наиболее крупные дефекты обычно находятся на поверхности световода.

Разрушение световода с поверхности в основном происходит из-за наличия микротрепщн. В соответствии с гипотезой Гриффита о развитии микротрещин, если к образцу приложена однородная растягивающая сила, то она концентрируется вокруг вершины трещины, и материал у трещшш начинает разрушаться значительно раньше, чем приложенная сила станет равной прочности связей в материале. Была предложена для исследования модель полукруглой краевой трещины (рис. 12.2) и показано, что концентрация напряжения у вершины зависит от глубины и ширины трещины:



o., = K,JYjr, (12.1)

где Kij,„-постоянная материала, для кварцевого стекла 1 кр = 0,789 МН/м; Е-модуль Юнга стекла; у-поверхностная энергия (обычно 1 Дж/м); -глубина микротре-хцины; Y-геометрический фактор (для полукруглой краевой трехцины, расположенной на поверхности кварцевого волокна перпендикулярно его оси, F= 1,241,77).

Приведенные выше формулы характеризуют кратковременную прочность стекла, хрупкого материала, у которого пластические деформации слабо проявляются перед моментом разрушения.

Однако ОВ при эксгшуатации в большей своей части испытыйкют статические нагрузки. Возникаюхцая при этом статическая усталость также может служить причиной разрушения световода. При этом надо учитывать, что заметная деградация прочности световода происходит только при одновременном воздействии двух факторов: растягиваюшего напря- жения и воды. После воздействия на ОВ в ненапряженном состоянии воды в течение 90 дней и последующей сушки при температуре 100° С прочность волокна составляет 98% исходной. Аналогичные исследования проведены во ВНИИ кабельной промышленности. Это указывает на то, что при воздействии воды на ненагруженное волокно рост дефектов не происходит Поскольку влага внутрь световода не проникает, то долговременная прочность будет определяться для существующих конструкций световодов ростом поверхностных дефектов.

Для повышения механической прочности световодов можно применить следующее:

1) отбраковку-исключение из готовой продукции заготовок и световодов, которые имеют крупные дефекты и поэтому не могут обеспечить требуемый Тп,

2) создание технологического процесса, исключающего или уменьшающего вероятность возникновения дефектов в световоде;

3) создание конструкхщй световода, обеспечивающего требуемый Теп-

Отбраковка может быть связана с разрушающими или неразрушающими методами контроля. При выборе опорных кварцевых труб и заготовок требуемого качества в основном используют неразрушающие методы контроля. Для опорных кварцевых труб это визуальный контроль количества и размеров пузырей, включений и других дефектов, контроль геометрических размеров. В заготовках определяют профиль показателя преломления и геометрические параметры. Реже проводят испытания механической прочности заготовок.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [ 80 ] [81] [82] [83] [84] [85] [86]

0.0074