Статична умора
30 км) и здрави влакна (σр
1 GPa) е само част от проблема за осигуряване на надеждността на комуникационната линия. Факт е, че при наличие на влага влакното се разрушава, дори ако приложеното върху него напрежение е по-малко от σr. Това явление, наречено статична умора, ограничава живота на влакното. Това е индуциран от напрежение процес на корозия на върха на пукнатината. При този процес водните молекули, влизащи в пукнатината от околната среда, активират разкъсването на химичните връзки на върха на пукнатината, което води до увеличаване на дължината на пукнатината под действието на напрежението, приложено върху влакното. С увеличаване на дължината на пукнатината концентрацията на напрежение в нейния връх σloc се увеличава и скоростта на растеж на пукнатината се увеличава, което в крайна сметка води до разрушаване на влакното, когато σloc достигне критична стойност σt (фиг. 4.6).
Кривата на скоростта на нарастване на пукнатините има три характерни участъка. В участък I (при ниски напрежения) скоростта зависи експоненциално от напрежението, както би трябвало да бъде в процеса на активиране, като енергията на активиране зависи от напрежението на върха на пукнатината. В същото време има и зависимост от съдържанието на вода в околната среда. По този начин, в раздел I, скоростта на нарастване на пукнатината се определя от комбинираното действие на напрежението на върха на пукнатината и скоростта на транспортиране на водни молекули към върха на пукнатината. В раздел II скоростта на нарастване на пукнатината е практически независима от напрежението на върха на пукнатината и се определя само от скоростта на транспортиране на водни молекули към върха на пукнатината. При още по-високи напрежения (секция III), скоростта отново нараства експоненциално с напрежението. В тази област нарастването на пукнатините се дължи натоплинна флуктуация разкъсване на химични връзки.
Практически важен за определяне на времето преди разрушаването на влакното при разтягането му е първият участък. При изчисленията скоростта на нарастване на пукнатините в тази област обикновено се представя като степенна зависимост:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4,5)
където се взема предвид, че , σ са напрежението на опън на влакното, b е дълбочината на пукнатината, A, B и n са коефициентите, характеризиращи скоростта на нарастване на пукнатината и зависещи от технологията на производство на влакната и тяхната среда.
Решението на уравнение (4.5) има формата: , където t е времето до скъсване на влакното, когато върху него се приложи напрежение на опън σ, bo и b е дълбочината на пукнатината в началния момент и в момент t. С бо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.6)
където t1 и t2 са времето до скъсване на влакното, когато върху него се прилагат напрежения на опън σ1 и σ2. Изразът (4.6) показва как ще се промени времето до разрушаване за две проби от влакна с еднаква първоначална якост, разположени в една и съща среда, ако към тях се приложат две различни натоварвания σ1 и σ2. Стойността на показателя n (нарича се параметър на статична умора) за посочените влакна е от порядъка на 20…22. Голяма стойност на n означава, че дори малко намаляване на натоварването значително увеличава живота на влакното. Например, при n = 22, намаляването на натоварването с 10% увеличава живота на влакното с около 8 пъти.
Изразът (4.6) може да се използва за намиране на стойността на параметъра n чрез статичен метод чрез окачване на товар от влакното или навиване на влакното на дорник. Като вземем логаритъм (4.6), получаваме израза: ln(t) = -n ln(σ) + const. Следователно, върху графиката на ln(t) спрямо ln(σ), резултатите от статичните изпитвания трябва да лежат на права линия с наклон - n. Въпреки това,най-често срещаният е динамичният метод за намиране на параметъра n. Този метод може да се използва в промишлени инсталации за измерване на якостта на опън на материалите (фиг. 4.7).
В тези инсталации натоварването обикновено нараства линейно с времето σ = σ' t (σ' е скоростта на натоварване). Разсъждавайки по същия начин, както при извеждането на израз (4.6), получаваме връзката:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4,7)
Изразът (4.7) показва, че ако две проби от влакна с еднаква начална якост се изпитват с различни скорости на натоварване σ'1 и σ'2 и при едни и същи условия, тогава якостта на опън σr ще бъде различна. Това явление, наречено динамична умора (подобно на статичната умора), има просто обяснение. С постепенно увеличаване на натоварването започва растеж на първоначалните дефекти в пробата, активирани от водни молекули. Освен това, колкото по-бавна е скоростта на натоварване, толкова по-големи ще растат дефектите и толкова по-ниска ще бъде якостта на опън.
Като вземем логаритъм от (4.7), получаваме: . Следователно, на графика на ln(σ) спрямо ln(σ') (или ln(P) спрямо ln(σ'), където P е якостта на опън), резултатите от статичното изпитване трябва да лежат на права линия с наклон от 1/(n + 1). Експерименталната зависимост на напрежението на прекъсване на стандартно едномодово влакно от скоростта на изтегляне е показана на фиг. 4.8. Дължината на пробите е 0,5 m, броят на пробите е 20, измерената стойност на параметъра n = 20,3.
От фиг. 4.8 се вижда, че за определена стойност на якостта на влакното може да се говори само ако има данни за скоростта на неговото разтягане в машината за опън. | Повече ▼понятието здравина на инертните влакна е определено, т.е. силата, която едно влакно би имало, ако в него нямаше растеж на пукнатини. Инертната якост на влакното е приблизително 2 пъти по-висока от якостта, обикновено измерена с помощта на машина за изпитване на опън. Кривата на зависимостта на якостта на влакното от скоростта на неговото натоварване върху машината за опън асимптотично достига това ниво.
Възможно е да се достигне нивото на инертна якост само чрез много бързо разтягане на влакната (което не може да се направи на конвенционална машина за изпитване на опън) или чрез тестване на влакната при условия, които изключват ефекта на водна пара. Например във висок вакуум (след отстраняване на влагата, абсорбирана върху стъклената повърхност) или при ниски температури (в течен азот). Следователно тази концепция е от чисто теоретичен интерес.
Статичната умора на влакната може да се прояви като малък фактор на изкривяване, който трябва да се вземе предвид при обработката на резултатите от измерванията на машина за изпитване на опън или да се използва за определяне на стойността на параметъра n. В същото време в преносна линия, където влакната могат да бъдат подложени на напрежение в продължение на няколко десетилетия, статичната умора на влакното е основен фактор, ограничаващ неговата издръжливост.
Глави от книгата Листвин А.В. Листвин В.Н. Рефлектометрия на оптични влакна (изтегляне на PDF)
По-нататък от тази книга I → Раздел МЕХАНИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ВЛАКНАТА.§ 3 → Издръжливост на влакната