第五章光纤机械性能(1)

第五章光纤机械性能第一节光纤机械性能测试目的当光纤在成缆过程中和用于实际环境中时，必须经受住一定的机械应力和化学环境的侵蚀；在光缆施工过程中，光纤需要量熔融连接，光纤涂敷层的可剥离后裸纤的翘曲度都会影响光纤的熔接难易和损耗大小，这些都属于光纤机械性能和操作性能的范畴。石英光纤必须具有足够的强度来经受机械环境，例如光纤的二次被覆，以及光缆敷设和运行期间受到的张力、宏弯和微弯。在通常的使用条件下，光纤都会受到张力（如在光缆中）、均匀弯曲（如在圆筒上）或平行表面的两点弯曲（如在熔接情况中）。在所有这些机械环境中，光纤经受了环境构成所特有的应力。最普通的机械环境是单轴向张力。石英光纤是一种脆性材料，在施加的应力下经历持续的变形后会断裂成两段或几段。由于光纤断裂会导致通信线路中断，故光纤的材料强度和可靠性是人们最关心的问题。对用于系统上的光纤而言，系统失效的唯一主要原因就是光缆失效，固有因素引起的失效很少，多半原因是由于火灾和直埋光缆附近的挖掘引起突然断裂一类的外部因素。随着光纤制造技术的不断提高，目前所用光纤的筛选强度都在0.69GPa以上，内在的机械失效的概率很低，尽管如此，由于修理和更换光纤的成本很高，故相关的经济风险便不可小视，这些风险促使人们努力把运行中的内在机械失效的概率减小到最低，因而提高光纤产品的长期机械可靠性是主要的课题。实际上，光纤的机械强度由表面存在的裂纹和杂质决定，涂敷层也起着至关重要的作用。涂敷层的粘附力越强，对裂纹的保护作用就越明显，光纤的强度就越高。另一方面，在光缆的连接中，需要剥除光纤的涂敷层进行熔接，在光纤光缆的测试中，需要剥除光纤的涂敷层制作端面，也就是说，光纤涂敷层应具有可剥性。所以涂敷层的粘附力不宜小也不宜大，按国家标准规定，涂敷层的剥离力在1.3～8.9N之间。当剥去涂敷层后，一根未支撑的光纤有一个自然弯曲的趋势，即翘曲性能。例如，一根从V形槽的端面出来的悬空光纤可以向上、向下或者向左右弯曲。虽然翘曲对连接器、机械连接或使用有源校准的熔融连接没有坏的影响，但翘曲可在光纤是无源熔融连接时或许多光纤同时熔接（光纤带的批量熔接）时产生偏离。为了使得光纤能在实际的通信线路上使用，它应具有足够的机械强度和便利的操作性能，以便于成缆和敷设，而且可在恶劣的环境条件下不会因疲劳而断裂，以保证光纤足够的使用寿命。我们必须弄清光纤的断裂机理、机械强度试验方法、表征光纤强度的各参数的物理意义和光纤使用寿命的计算方法。第二节测量方法用来表征具有预涂覆层或缓冲层光纤的机械强度、操作性能、物理缺陷、可剥离性、应力腐蚀敏感性参数、翘曲性能优劣的测量方法有：筛选试验、光纤抗拉强度、磨损、目视、静态和动态疲劳、侧视显微法和激光束散射法。下面将分别介绍这些试验方法的测量原理、试验装置和试验程序。一、光纤强度(1)裂纹及断裂光纤制造中石英玻璃的理论强度是由(SiO4)分子之间的键结合力所决定的.然后,石英玻璃光纤中玻璃基体存在的微小不均匀性、高温熔融骤冷拉丝使表面形成应力分布不匀及环境尘埃、机械损伤等致使光纤产生微裂纹。特别应指出的是光纤强度既与光纤表面微裂纹有关，又与光纤纵向分布的微裂纹数量、大小和分布有关。借助脆性材料断裂理论可以提示光纤表面微裂纹是如何导致光纤断裂的原因。根据Griffith的脆性材料断裂理论，假定光纤表面的微裂纹的裂口形状为U字形。外界作用压力将集中在U字形裂口的顶端，其上的应力可用弹性理论计算出来。如图5.1所示的一个U字形裂纹，且所加应力垂直于裂纹。如外加应力为S，裂纹尖端有应力σ可用下式计算：图5.1U字形裂纹LS21(5.1)式中：L为裂纹长度，α为裂纹宽度的一半。如果裂纹尖端的曲率半径ρ=α/L，并假设L≥α，则σ为：212eLS(5.2)断裂应力σ与裂纹长度平方根成正比。又由Griffith断裂理论中应力一倍移关系得知断裂应力σ与裂纹长度L的关系为：212LEr(5.3)式中：E是杨氏模量，r为表面能。用裂纹尖端的应力场表示应力强度因子K则有：LK1(5.4)将式(5.3)代入式(5.4)，可得到断裂条件为：ErKIC2(5.5)KIC是应力强度因子的临界值，称为断裂韧度。当裂纹应力强度因子K1增加到KIC时，光纤上的微裂纹将会生长、护展直至发生断裂。断裂力学正是研究有关光纤微裂纹生长规律的。若已知断裂韧度KIC、裂纹大小和形状，所谓光纤强度的问题就是如何消除微裂纹、怎样保护微裂纹不遭水分、尘埃和化学物质的侵蚀、设法缓解裂纹生长，预报光纤在容许的应力作用下光纤的使用寿命。(2)裂纹生长假设石英玻璃光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或微裂纹。这样光纤的临界断裂的发生常常是因为受到潮湿、尘埃、化学物质作用使表面强度变弱，石英玻璃光纤的包层玻璃周围涂覆着聚合物涂覆层或密封膜（例如，非晶态碳膜和施加金属涂覆层）旨在减小这些削弱光纤强度的作用。在理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂纹都不会生长。仅当外界施加的应力增加到KIC时，断裂才会发生。对非惰性环境下的光纤（如高温、潮湿、环境中有水分或化学物质），任何施加应力都会使裂纹生长。由于二氧化硅键发生水解，故它被称作为应力腐蚀。在非惰性环境下，假定裂纹生长速率V与应力强度因子有关的经验公式如下：tAKdtdLVnI（5.6）瞬间断裂的临界裂纹生长速率Vc则为：nICcAKV(5.7)式中：A为与临界裂纹生长速率所处的环境有关的材料尺寸参数。例如，Vc随水分增加而增大。无量纲指数n为裂纹应力腐蚀敏感性参数简称n值。A和n都与实际环境有关。n值既可表明裂纹生长快慢（n值越高，裂纹生长越慢），又可以用来计算光纤的使用寿命。(3)疲劳在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的过程称为光纤的疲劳。应力腐蚀（敏感性）参数n是一个与施加应力使裂纹生长有关的无量纲的经验参数，其大小取决于环境温度、湿度和其他环境条件。通常，人们按施加的应力方式不同，将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳。①静态疲劳静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间。试验时，光纤在一个恒定外加应力σ的作用下，观察最弱的裂纹断裂所需的时间tf(σ)。断裂时间可由下式表示：snfAt1(5.8)利用断裂时间与施加应力的关系简单求出ns，ns称为静态疲劳指数。A1为一常数。②动态疲劳动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载和断裂时间。在恒定外加应力速率σa下，观察断裂时间tfd和断裂应力σf，三者之间满足的关系为：fdaft(5.9)同时还有：112ndaafA(5.10)由式(5.10)可求出nd，nd称为动态疲劳指数。A2为一常数。(4)使用寿命当光纤处在真空环境中，由于没有水分存在，所以不会发生应力侵蚀，其疲劳参数n（如nd和ns）为最大值，光纤也具有最高的强度，这时的强度就是光纤的惰性强度Si。当光纤在使用环境中具有使用寿命ts与它所承受的应力σ和光纤的惰性强度Si之间有如下关系：isSnBntlg2lglglg(5.11)上式中后两皆为常数，所以当承受到的应力σ恒定时，光纤的使用寿命ts只与光纤的疲劳参数n值有关。n值愈大，光纤的使用寿命ts也就愈长。2.测量方法(1)筛选试验①测量原理为了保证一个最低的光纤强度，筛选试验是最好的方法。筛选试验的目的就是将整个光纤制造长度上的强度低于或等于筛选应力的点去除，保证幸存光纤的机械可靠性。ITU-TG.650规定的筛选试验的基准试验方法为纵向张力法。纵向张力试验法测量原理是一种施加张力荷载至拉丝涂覆后的整根连续长度光纤上。被测的初始光纤会断成几段短光纤，可以认为每段短光纤已通过筛选试验。试验结果既可用应力σ表示，也可用应变ε表示，它们的关系如下：cE1(5.12)式中：E为零应力下的杨氏模量，c是一个非线性参数，其值由试验确定（典型值为3～6）。由施加张力T计算得到的光纤张力σ为：21TF(5.13)式中：2α为玻璃光纤的直径（125μm），F是涂覆层承受的张力份额。F的大小由下式给出：njjjgnjjjAEEAEF121(5.14)式中：n—涂覆层层数；Ej—第j个涂覆层的模量；Aj—第j个涂覆层的标称横截面积；Eg—玻璃光纤的弹性模量。②筛选试验参数用规定的筛选应力σp来控制幸存段光纤。筛选试验中施加应力σa的大小如图5.2所示。图5.2也显出了加载时间t1、卸载时间tu和筛选时间td。筛选试验施加抗张负荷的时间要尽可能地短，为了确保玻璃光纤经受住筛选应力、筛选时间又要足够的长。故光纤经受抗张负荷的筛选时间一般为ls。图5.2筛选试验中应力σ与时间t的关系筛选试验中所施加的应力应始终超过规定的筛选应力σp，以保证光纤有一个最低强度。不过，在这里需要提醒读者的是，光纤的这个最低强度实际上是不可靠的，因为在卸掉筛选试验应力期间的动态疲劳降低了最低强度，这将涉及到一个实验上很难确定的裂纹生长参数，正是在卸掉筛选应力期间的次临界裂纹生长降低了这个最低强度。在图5.2中，放丝和收丝区，光纤上维持一低应力值（典型值应不超过筛选应力的10%）。在加载区，光纤应力由低应力倾斜上升至筛选应力，加载时间为t1。筛选试验区，施加的筛选应力σa值应大于规定的筛选应力σp。卸载区，光纤应力从施加应力倾斜地降至小的应力值，卸载时间为tu，卸载时间应控制在用户与厂家共同认可的最大值以下。③试验装置通过，光纤光缆生产中用来进行光纤筛选试验的试验有两种类型：制动轮筛选试验机和固定重量筛选试验机。它们的结构和工作原理，如下所述。A.制动轮筛选试验机制动轮筛选试验机的结构组成，如图5.3所示。被筛选的光纤是以恒定的低张力从光纤盘上放出，经筛选后，光纤在恒定张力下重新被绕到收线盘上。放线和收线张力是可调的。图5.3制动轮筛选试验机的结构组成示意图施加到光纤上的筛选荷载是由制动轮和驱动轮之间产生的速度差造成的。制动轮和驱动轮上皮带用于防止光纤打滑。高精度张力计用来测量光纤上的荷载和控制制动轮与驱动轮之间的速度差来达到所需要的筛选荷载。筛选机施加荷载大小和操作速度快慢，可以由各自独立的装置控制。B.固定重量筛选试验机固定重量筛选试验机的结构组成，如图5.4所示。装置中放线和收线动轮本身很轻，以求传导给光纤最小的张力。放线轮和收线轮彼此同步。放线轮和收线轮上的压紧皮带用来防止光纤滑动。它们既不会对光纤施加附加张力，也不会损伤光纤涂覆层。图5.4固定重量筛选试验机的结构组成示意图荷载臂和一个盘子上的固定重物被安装到一个固定重物轮的轴上来向光纤提供筛选应力。当需要增加光纤在筛选试验区的长度时，可利用附加的惰轮来实现。图5.5是一种利用惰轮增加光纤受试长度的方法。④试验程序试样应是一根全长光纤，两端的短段可能不能满足筛选试验期间的所有技术要求，如最大卸载时间，应该在筛选试验后去掉。短段试样光纤长度的典型值小于50m。筛选试验后，光纤的完全断裂证明光纤受到破坏。检验光纤断裂的方法包括：目视检查和OTDR测量。将断裂区去除后，经受住的光纤长度被认为通过了筛选试验。如果筛选机经张力校准，可由式(5.13)求出应力，由式(5.12)求出应变。图5.5增加光纤受试长度的方法涂覆光纤机械强度筛选试验分级要求应符合表5.1的规定。表5.1光纤强度筛选试验分级等级ⅠⅡ筛选应力不低于GPa0.691.38筛选应变不低于%1.02.0注：上述两种表示方法是等效的(2)抗拉强度①测量原理筛选试验只是保证了光纤的最低强度，在一根实际的石英玻璃光纤表面，存在着许多微裂纹，简单地对光纤施加张力，那么沿着光纤长度方向和在光纤的横截面积中均匀地存在着应力。我们也可以用光纤断裂累积概率的威泊尔分布来表征光纤的强度，即：一定长度的光纤，在应力σ的作用下，光纤的断裂累积概率可用威泊尔分布来描述。mLLLF00exp1,(5.15)式中：F为小于或等于σ的应力下光纤断裂的累积概率：σ0是在“标距”