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[光伏電纜] 光纖制造過程中斷裂原因的淺析
P:2009-08-17 12:06:21
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光纖制造過程中斷裂原因的淺析
摘要：在光纖的整個(gè)制造過程中，光纖都有發(fā)生斷裂的可能。在此篇文章中，筆者根據(jù)在高倍顯微鏡下觀察的
結(jié)果并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，初步分析了光纖制造過程中發(fā)生斷裂的一些原因。
關(guān)鍵詞：光纖 斷裂原因 鏡面 斷裂應(yīng)力
一引言
我們知道光纖制造中石英玻璃的理 論強(qiáng)度是由 (Si02)分子之間的鍵結(jié)
合力決定的，當(dāng)SiO2鍵發(fā)生斷裂時(shí)，其斷裂強(qiáng)度高達(dá)20GPa。然而，由于
石英玻璃 中玻璃基體存在的微小不均勻性 、由高溫熔融到驟冷的拉絲等均
會(huì)使石英玻璃表面形成應(yīng)力分布不均生產(chǎn)環(huán)境中的塵埃、機(jī)械損傷等會(huì)使
光纖產(chǎn)生微裂紋 ，這些都會(huì)降低光纖的斷裂強(qiáng)度。光纖強(qiáng)度一方面決定于
石英玻璃表面微裂紋的數(shù)量、大小、分布以及雜質(zhì)的情況等，另外一方面
也取決于涂覆層 ，具體來講 ，涂覆層對(duì)石英玻璃的粘附力越強(qiáng)，則對(duì)裂紋
的保護(hù)作用越明顯，光纖的強(qiáng)度就越高但是光纖涂覆所用的樹脂材料其固化
后的機(jī)械強(qiáng)度是MPa級(jí) ，與石英玻璃相比，相差懸殊 ，故光纖的斷裂強(qiáng)度
主要由石英玻璃部分決定的。
我們知道 ，石英玻璃在常溫下的斷 裂是脆性斷裂。根據(jù)Griffith脆性材料
斷裂理論 ，假設(shè)光纖表面微裂紋的形狀為U字形，外界作用力將集中在U字
形裂 口的頂端 ，計(jì)算出光纖斷裂的條件為 :
其中，KIc為應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值 ，稱為斷裂韌度，E為楊 氏模量 ，r
為表面能 。當(dāng)裂紋應(yīng) 力強(qiáng)度因子K增加到KIc時(shí)，光纖上的微裂紋將會(huì)生長(zhǎng)
擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。
在理想環(huán)境條件下 (低溫 、濕度為零、高真空)，任何裂紋都不會(huì)生長(zhǎng)
這時(shí) ，僅 當(dāng)外界施 加的應(yīng)力增加到KIC時(shí),斷裂才會(huì)發(fā)生。
在實(shí)際環(huán)境條件下，外界施加在光纖上的任何大小的應(yīng)力，都會(huì)使裂紋生長(zhǎng) ，乃至光纖斷裂。光纖表面的裂紋是光纖斷裂的內(nèi)在因素 ，應(yīng)力和潮氣的存在共同促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，最后導(dǎo)致光纖斷裂 。根據(jù)無機(jī)材料斷裂特性方面相關(guān)的資料 ，裂紋的生長(zhǎng)過
程可以分解成兩個(gè)階段 ：首先 ，源徽裂紋 (日口：斷裂源)在應(yīng)力作用下緩慢生長(zhǎng) ，形成鏡面部分。然后 ，隨著源微裂紋的生長(zhǎng)產(chǎn)生出次微 裂紋 ，次 微裂紋開始迅速的生長(zhǎng) ，由于次微裂紋的數(shù) 目不止一個(gè)，故它們之間相互疊加，形成輻射狀碎裂條紋 。典型的
鏡面如圖1所示。 以上便是光以上便是纖發(fā)生斷裂的原因和理 。
二． 光纖制造過程中斷裂原 因的分析
在外界應(yīng)力的作用下，石英玻璃中的微裂紋開始生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致光纖斷裂，這種情況在光纖的制造過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn) 。通過高倍顯微鏡 ，我們可以對(duì)光纖的斷面進(jìn)行觀察分析。對(duì)于有鏡面的斷面，一般都可以找到它的斷裂源 ，借助掃描電鏡和x一射線能量色散分析儀等儀器便可以分析出斷裂源的類型，從而可以大致判斷出是雜質(zhì)、氣泡還是外界損傷 引起的斷裂。但是想要準(zhǔn)確得到是哪種原因造成的光纖斷裂是一件相當(dāng)困難的事情 ，因?yàn)榻?jīng)常是有幾個(gè)或數(shù)個(gè)因素參雜在一起，最終導(dǎo)致了光纖的斷裂。
我們?cè)陲@微鏡下對(duì)發(fā)生斷裂的光纖樣品進(jìn)行了觀察分析，根據(jù)顯微鏡分析結(jié)果并結(jié)合光纖制造過程中遇到的實(shí)際情況，把斷裂原因歸結(jié)為以下幾個(gè)方面 ：
1．鏡面在石英玻璃的中心
一般來說，這種鏡面表明，光纖斷裂是由預(yù)制棒本身的問題造成的。對(duì)于預(yù)制棒本身缺陷造成的光纖斷裂，通常在顯微鏡下，可以觀察到斷面中的鏡面位于石英玻璃的中心部分，然后向各個(gè)方向呈輻射狀散開去。這說明裂紋的生長(zhǎng)源 (或斷裂源)位于石英玻璃的中心部分，也就是說預(yù)制棒本身有雜質(zhì)或氣泡等。鏡面形狀如圖2、3所示。在目前成熟的預(yù)制棒制造工藝條件下，由于預(yù)制棒本身問題，而造成拉制成的光纖發(fā)生斷裂或強(qiáng)度較低的概率比較小。
2．在石英玻璃邊緣部分有鏡面
對(duì)于拉絲爐問題造成的光纖斷裂，通常在顯微鏡下，可以觀察到斷面中的鏡面位于石英玻璃的邊緣，然后向石英玻璃的其他方向呈輻射狀散開去。鏡面形狀如圖4、5所示。在鏡面附近的光纖涂層依然保持完好，這說明是石英玻璃部分出現(xiàn)問題造成了光纖的斷裂。要么是石英玻璃部分混入了雜質(zhì)或氣泡，要么是石英玻璃部分被擦傷。具體原因可以由掃描電鏡來分析斷裂源得出。出現(xiàn)這種低應(yīng)力斷裂點(diǎn)的原因，可能與下列因素有關(guān)：(1)石英玻璃表面在拉絲過程中受到外部顆粒的污染，而雜質(zhì)與石英玻璃的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致光纖在冷卻過程中的局部應(yīng)力過大，形成了微裂紋；(2)由于冷卻管內(nèi)有碎光纖或其他雜質(zhì)，光纖制造過程中與之有摩擦作用，造成石英玻璃表面的微裂紋 ；(3)由于制造或存放光纖的環(huán)境中，溫濕度過高致使水分子擴(kuò)散進(jìn)入光纖，造成硅氧鍵斷裂，形成微裂紋等。
如果鏡面附近的光纖涂層出現(xiàn)了缺口，也即是此處光纖涂層有缺損 (圖6、7)，則說明光纖的斷裂可能和外界的應(yīng)力作用有較大關(guān)系。此問題將在下面進(jìn)一步討論。
在對(duì)斷面的分析中，有時(shí)可以看到全鏡面 (圖8)，則說明光纖上的此點(diǎn)微裂紋情況較為嚴(yán)重。
3．光纖涂層受損
在對(duì)光纖的斷面分析過程中，有時(shí)發(fā)鏡面附近的涂層有破損，此時(shí)則需要對(duì)斷點(diǎn)附近的光纖表面進(jìn)行觀察分析，看是否能找到外界應(yīng)力破壞光纖涂層造成光纖斷裂的證據(jù)。一股來說，如果能在斷點(diǎn)附近的光纖涂層表面找到較為嚴(yán)重的破損 ，則外界應(yīng)力作用便應(yīng)該是光纖斷裂的重要原因，但有可能不是唯一的原因，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析圖9、l0、ll表面光纖涂層受損嚴(yán)重。如果涂層受損嚴(yán)重，觀察光纖外觀時(shí) ，則會(huì)發(fā)現(xiàn)光纖顏色可能會(huì)發(fā)生較為明顯的變化。
4．無鏡面
有時(shí)在收集到的光纖斷點(diǎn)樣品中，并未發(fā)現(xiàn)鏡面 (圖l2)， 且從側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)斷面呈無規(guī)則、尖銳狀 (圖l3)，分析原因可能一是光纖斷裂后與設(shè)備或其他地方發(fā)生碰撞 ，導(dǎo)致鏡面被破壞，二是光纖受到了很大的外部作用力導(dǎo)致斷裂，微裂紋還未來得及生長(zhǎng)。對(duì)于這種， 我們基本上無法找到光纖斷裂的原因。
三．總結(jié)
借助高倍顯微鏡對(duì)光纖斷點(diǎn)樣品進(jìn)行觀察分析，有助于迅速找出光纖發(fā)生斷裂的原因。對(duì)于當(dāng)時(shí)斷裂時(shí)的應(yīng)力也可以根據(jù)鏡面的大小大致的推算出，這對(duì)我們判斷光纖斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度有一定的幫助。鏡面越小，斷裂應(yīng)力越大，通常說明光纖斷裂因素中外界作用力占的可性較大，石英玻璃本身缺陷造成斷裂的可能性較�。荤R面越大 ，斷裂應(yīng)力越小，通常說 明光纖斷裂因素 中石英玻璃本身原因占的可能性較大。我們得到的一張經(jīng)驗(yàn)表格 (表1)，表明鏡面半徑與斷裂應(yīng)力大小的關(guān)系。
我們可以根據(jù)分析得到的光纖斷裂原因，有針對(duì)性地對(duì)光纖制造工藝和環(huán)境進(jìn)行改進(jìn)和控制，使每千公里斷點(diǎn)數(shù)維持在一個(gè)較低的水平上。
參考文獻(xiàn) ：
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wire covering - 線繞包層 （1） 投訴
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