CC BY
39ВКВ0-2019 Стендовые
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СВЕТОВОДОВ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА НА ИХ ПРОЧНОСТЬ
Ероньян М.А.1, Мешковский И.К.2, Реуцкий А.А.1, Парфенов П.С.2*, Перевислов С.Н.3
1 АО "Концерн «Центральный научно- исследовательский институт "Электроприбор", г.Санкт-Петербург
2 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 3Санкт-Петербургский государственный технологический институт, г.Санкт-Петербург
* e-mail: qrspeter@gmail. com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16214
Прочность кварцевых волоконных световодов (КВС) имеет статистический характер, обусловленный, скорее всего, спецификой распределения микронеоднородностей химической природы в поверхностном слое волокна [1]. Уменьшение площади его поверхности за счет снижения диаметра световода до 120 нм существенно снижает вероятность присутствия микронеоднородностей, что приближает прочностные свойства волокна к теоретическому пределу прочности кварцевого стекла [2]. На прочностные свойства КВС могут влиять и другие малоизученные факторы такие как: снижение вязкости поверхностного слоя заготовки, легированного "водой" [3] или В2О3 [4].
Цель работы заключалась в исследовании влияния вязкости поверхностного слоя заготовки на прочность КВС и на рельеф его поверхности.
Заготовки германосиликатных многомодовых КВС изготавливали методом MCVD с пламенным нагревом опорных кварцевых труб из кварцевого стекла марки F-300, обладающего высоким уровнем однородности и прочности. Содержание ОН групп в таком стекле не превышало 10-5 мас. %. Наружный диаметр полученной заготовки длиной 800 мм ~ 12 мм. Методом наружного парофазного осаждения на половину заготовки наносили пористый слой из SÍO2 c 4 мол. % В2О3 и спекали его при нагреве газовой горелкой. Толщина этого низковязкого слоя, измеренного на рефрактометре Р-101, составляла 0,5 мм.
Из двух частей заготовки изготовили два вида образцов световодов. КВС 2 отличался от КВС 1 наличием боросиликатного поверхностного слоя. Волокна диаметром 125 мкм вытягивали со скоростью 60 м/мин с одновременным нанесением двухслойного УФ отверждаемого эпоксиакрилатного покрытия толщиной 60 мкм. Заготовку нагревали в печи с графитовым нагревателем, продуваемым аргоном высокой чистоты, содержащим не более 10- 4 об. % паров воды.
Метровые отрезки КВС, предназначенные для исследования состояния поверхности, снимали с установки вытягивания до их вхождения в кювету с полимером, исключая касание с окружающими предметами зоны их исследования на микроскопе.
Прочность КВС измеряли методом двухточечного изгиба на 30 образцах. Для исследования поверхности КВС использовали оптический и электронный микроскопы. Особо тонкую структуру поверхности исследовали на атомном силовом микроскопе (АСМ) Solver PRO-M в контактном режиме, используя зонд NSG01 с радиусом закругления острия 10 нм, что обеспечивало пространственное разрешение по горизонтали не хуже 20 нм, а по вертикали менее 0,1 нм.
С понижением температуры вытягивания КВС 1 с 2100 до 1900оС их прочность снижалась с 5,8 до 5,5 ГПа. Дальнейшее понижение температуры вытягивания приводило к увеличению натяжения волокна до 5 Н и к его разрыву. Фотография на оптическом микроскопе разорванных таким образом КВС 1 выявила спиралеобразную трещину на их поверхности (рис. 1).
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
ВКВО-2019- Стендовые
Образцы КВС 1 на АСМ демонстрируют почти везде наклонные «насечки» (рис. 2) глубиной около 3 нм и периодом чуть менее 1 мкм.
Такой пологий характер рельефа вряд ли может привести к концентрации напряженного состояния до критического уровня в заглубленных на 3 нм местах периодической структуры. Типичная для световодов прочность 6 ГПа обусловлена острыми трещинами глубиной 6 нм [1].
Рис. 2. Рельеф поверхности КВС 1
Наличие низковязкой боросиликатной оболочки у КВС 2 изменило характер зависимости его прочности от температуры вытягивания. Среднеарифметическое ее значение из 30 измерений выросло с 6,66 до 7,16 ГПа при снижении температуры вытягивания с 2200 до 1950 °C. Усилие вытягивания волокна при этом увеличивалось с 0,25 до 2,8 Н. В отличие от не защищенного боросиликатной оболочкой КВС 1, увеличение усилия вытягивания КВС 2 до 5 Н не привело к его разрыву.
На снимках АСМ поверхности КВС 2 не наблюдается свойственная для КВС 1 периодическая структура.
Принципиально разное поведение КВС 1 и КВС 2 при вытягивании можно объяснить следующим образом.
Поверхность заготовки КВС 1 после высокотемпературной пламенной операции сжатия на оборудовании MCVD насыщена ОН группами, наличие которых существенно снижает вязкость кварцевого стекла. При вытягивании волокна нагрев заготовки в графитовой печи приводит к удалению с ее поверхности ОН групп в поток сухого аргона. Поэтому образуется тонкий слой стекла с повышенной вязкостью, что может приводить к возникновению в нем трещин.
При вытягивании КВС 2 поверхностный слой из боросиликатного стекла, обладая пониженной вязкостью по сравнению с кварцевым стеклом заготовки, подвержен пластической деформации. Все усилие вытягивания волокна до полного его остывания воспринимается оболочкой из чистого кварцевого стекла. После остывания и снятия растягивающей нагрузки центральная часть волокна сжимается, создавая при этом напряжения сжатия в наружном боросиликатном слое. При допущении равенства модулей упругости всех слоев КВС можно приближенно оценить величину сжимающих напряжений в поверхностном боросиликатном слое Осж [4].
Осж = F/S
где, F -усилие вытягивания, S площадь поперечного сечения КВС.
Такая приближенная оценка дает величину сжимающих напряжений 0,23 ГПа при усилии вытягивания 2,8 Н.
Таким образом, модификация поверхности заготовки КВС боросиликатным слоем благотворно влияет как на рельеф их поверхности, так и на прочность, открывая новые технологические возможности для изготовления световодов, приобретающих особые свойства при низкотемпературном вытягивании кварцевого волокна.
Литература
1. Eronyan M.A., et al, Glass Phys. and Chem. 32, 623-628 (2006)
2. Brambilla G. and Payne D.N., Nano Letters 9, 831-835 (2009)
3. Lezzi P.J., et al, J. Non-Cryst. Solids 379, 95-108 (2013)
4. RongvedL., Kurjian C.R., Geyling F. T. J. Non-Cryst. Solids 42, 579-584(1980)
408 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
