Độ Bền và Kháng Nứt của Sợi Thạch Anh Được Phủ Polyimide

Allerton Press - Tập 62 Số 6 - Trang 756-762 - 2021
Bulatov, M. I.1, Shatsov, A. A.1
1Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

Tóm tắt

Các lớp phủ polyimide hiện tại cung cấp những tính chất hiệu suất cao nhất cho sợi thạch anh. Mục đích của nghiên cứu này là xác định độ bền, độ cứng, sự mỏi động, thời gian hoạt động và khả năng kháng nứt của sợi quang được phủ polyimide. Giới hạn độ bền của sợi được xác định bởi độ kéo trục qua khoảng cách giữa các đầu kéo 500 mm là 4.8–6.0 GPa với tốc độ tải trọng từ 10–500 mm/phút. Các đường cong phân phối Weibull được vẽ trên các tọa độ liên quan tới xác suất thất bại với độ bền, chiều dài sợi, và tham số mô tả độ bền tối đa. Tham số mỏi động n được tìm thấy, mà về mặt lý thuyết tương ứng với độ dốc tiếp tuyến tan α = 1/(1 + n) trong tọa độ logarit kép. Giá trị độ cứng và khả năng kháng nứt của sợi thạch anh được đo bằng phương pháp in dấu. Khả năng kháng nứt K1c được tính toán theo sự phụ thuộc bán thực nghiệm của Niihara, kết nối kích thước in dấu, chiều dài nứt xuyên tâm và khả năng kháng nứt. Chiều dài nứt ban đầu được tính toán và kích thước của khuyết tật đặc trưng được xác định bằng kỹ thuật hiển vi điện tử quét. Phân tích nhiệt trọng cho thấy rằng sợi được phủ polyimide duy trì độ ổn định nhiệt lên tới 450°C. Thời gian sử dụng của sợi quang được xác định dựa trên dữ liệu mỏi động, và nó ít nhất là 25 năm dưới tải trọng 0.2 GPa. Sự chênh lệch lớn hơn giữa mức độ bền thấp và bền cao trong các thử nghiệm kéo các đoạn sợi, thì tham số phân phối m mô tả độ bền tối đa của sợi quang càng cao. Giá trị của tham số này đặc trưng cho chất lượng sợi: m = 50–100 cho sợi được phủ và m = 1–5 cho sợi không được phủ.

Từ khóa

#polyimide #sợi thạch anh #độ bền #kháng nứt #mỏi động #Weibull distribution

Tài liệu tham khảo

citation_journal_title=Sens. Actuators, A; citation_title=Failure of nanostructured optical fibers by femtosecond laser procedure as a strain safety-fuse sensor for composite material applications; citation_author=B. Delobelle, D. Perreux, P. Delobelle; citation_volume=210; citation_publication_date=2014; citation_pages=67-76; citation_doi=10.1016/j.sna.2014.02.008; citation_id=CR1

citation_journal_title=Opt. Fiber Technol.; citation_title=Non-reciprocal biasing for performance enhancement of the resonant fiber gyroscope with “Reflector” using In-line Faraday rotators: Design, analysis and characterization; citation_author=N.R. Sumukh, S. Srivastava, R. Gowrishankar; citation_volume=53; citation_publication_date=2019; citation_pages=1-8; citation_doi=10.1016/j.yofte.2019.102038; citation_id=CR2

Overton, B.J., Gooijer, F., and Krabsuis, G., An optical fiber with advanced polyimide coating, Proc. 61th Int. Wire and Cable Symposium, Providence, RI, 2012, pp. 321–328.

Lei, H., Robert, S.D., Ralph, J.L., Stolov, A.A., and Jie Li, Mechanical properties of polyimide coated optical fibers at elevated temperatures, Proc. Meeting “Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications”, San Francisco, CA, 2016, vol. 9702, pp. 1–8.

https://doi.org/10.1117/12.2210957

citation_journal_title=J. Lightwave Technol.; citation_title=Thermal stability of specialty optical fibers; citation_author=A.A. Stolov, D.A. Simoff, Jie Li; citation_volume=26; citation_publication_date=2008; citation_pages=3443-3451; citation_doi=10.1109/jlt.2008.925698; citation_id=CR6

Stolov, A.A., Slyman, B.E., Simoff, D.A., Hokansson, A.S., Allen, R.S., and Earnhardt, J.P., Optical fibers with polyimide coatings for medical applications, Proc. Meeting “Design and Quality for Biomedical Technologies”, San Francisco, CA, 2012, vol. 8215, pp. 1–10.

https://doi.org/10.1117/12.916858

citation_journal_title=Quantum Electron.; citation_title=High temperature polyimide coating for optical fibers; citation_author=S.L. Semjonov, D.A. Sapozhnikov, D.Yu. Erin, O.N. Zabegaeva, I.A. Kushtavkina, K.N. Nishchev, Ya.S. Vygodskii, E.M. Dianov; citation_volume=45; citation_publication_date=2015; citation_pages=330-332; citation_doi=10.1070/QE2015v045n04ABEH015720; citation_id=CR8

citation_journal_title=Usp. Khim.; citation_title=Cardiac polyheteroarylenes. Synthesis, properties and originality; citation_author=S.V. Vinogradova, V.A. Vasnev, Ya.S. Vygodskii; citation_volume=65; citation_publication_date=1996; citation_pages=249-277; citation_doi=10.1070/RC1996v065n03ABEH000209; citation_id=CR9

citation_journal_title=Bull. Lebedev Phys. Inst.; citation_title=Advanced polyimide varnish for optical fiber coating fabrication; citation_author=A.F. Kosolapov, E.A. Plastinin, S.L. Semjonov, B.A. Bayminov, D.A. Sapozhnikov, D.D. Alekseeva, Y.S. Vygodskii; citation_volume=44; citation_publication_date=2017; citation_pages=159-162; citation_doi=10.3103/S1068335617060021; citation_id=CR10

citation_journal_title=Fiber Integr. Opt.; citation_title=Plastic coating of glass fibers and its influence on strength; citation_author=P.W. France, P.L. Dunn, M.H. Reeve; citation_volume=2; citation_publication_date=1979; citation_pages=267-286; citation_doi=10.1080/01468037908202106; citation_id=CR11

Liebowitz, H., Fracture: An Advanced Treatise, vol. 2: Mathematical Fundamentals, Academic Press, 1969.

Ioffe, A.F., Fizika poluprovodnikov (Semiconductor Physics), Moscow: USSR Acad. Sci., 1957.

Metcalfe, A.G., Ebert, L.J., Wright, P.K., and Klein, M.J., in Interfaces in Metal Matrix Composites, vol. 1: Composite Materials, Metcalfe, A.G., Ed., New York: Academic Press, 1974.

citation_journal_title=Nelineinyi Mir; citation_title=Thermodynamic model of the destruction of quartz glass and optical fibers; citation_author=A.A. D’yachenko, O.E. Shushpanov; citation_volume=7; citation_publication_date=2009; citation_pages=239-283; citation_id=CR15

Volynskii, A.L., The Rebinder effect in polymers, Priroda, 2006, no. 11, pp. 11–20.

citation_journal_title=Opt. Eng.; citation_title=Design methodology for the mechanical reliability of optical fiber; citation_author=G.S. Glaesemann, S.T. Gulati; citation_volume=30; citation_publication_date=1991; citation_pages=709-715; citation_doi=10.1117/12.55870; citation_id=CR17

citation_journal_title=J. Am. Ceram. Soc.; citation_title=Influence of water vapor on crack propagation in soda-lime glass; citation_author=S.M. Wiederhorn; citation_volume=50; citation_publication_date=1967; citation_pages=407-414; citation_doi=10.1111/j.11512916.1967.tb15145.x; citation_id=CR18

citation_title=

; citation_publication_date=1962; citation_id=CR19; citation_author=W.B. Hillig; citation_publisher=Butterworths Scientific Publ.

Chean, V., Robin, E., Abdi, R., and Sangleboeuf, J., Study of the mechanical behavior of the optical fiber by a mark-tracking method, EPJ Web Conf., 2010, vol. 6, pp. 1–8.

https://doi.org/10.1051/epjconf/20100634002

citation_journal_title=J. Appl. Mech.; citation_title=A statistical distribution function of wide applicability; citation_author=W. Weibull; citation_volume=18; citation_publication_date=1951; citation_pages=293-297; citation_doi=10.1115/1.4010337; citation_id=CR21

citation_journal_title=Volokonnaya Opt.; citation_title=Durability of glass fiber optical fibers of large length, Tr. Inst. Obshch. Fiz., Akad. Nauk SSSR.; citation_author=V.A. Bogatyrev, M.M. Bubnov, N.N. Vechkanov, A.N. Guryanov, S.L. Semenov; citation_volume=5; citation_publication_date=1987; citation_pages=60-72; citation_id=CR22

citation_journal_title=Opt. Eng.; citation_title=Characterization of polyimide-coated optical fibers; citation_author=R.B. Dipak; citation_volume=30; citation_publication_date=1991; citation_pages=772-775; citation_doi=10.1117/12.55860; citation_id=CR23

Craig, S.P., Duncan, W.J., France, P.W., and Snodgas, J.E., The strength and fatigue of large flaws in silica optical fiber, Proc. 8th European Conference on Optical Communication, Cannes, 1982, pp. 205–208.

citation_journal_title=Strength Mater.; citation_title=The study of ceramics with the Vickers diamond pyramid, Probl. Prochn., 1990, no. 9, pp. 49–54. Gogotsi, G.A. and Bashta, A.V., Investigation of a ceramic in indentation of a Vickers diamond pyramid; citation_author=G.A. Gogotsi, A.V. Bashta; citation_volume=22; citation_publication_date=1990; citation_pages=1306-1313; citation_doi=10.1007/BF00770972; citation_id=CR25

citation_journal_title=J. Am. Ceram. Soc.; citation_title=Fracture surface energy of glass; citation_author=S.M. Wiederhorn; citation_volume=52; citation_publication_date=1969; citation_pages=99-105; citation_doi=10.1111/j.1151-2916.1969.tb13350.x; citation_id=CR26

Sebastian, B., Kurt, E.J., Hamad, U.R., and George, M.P., Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica, J. Am. Ceram. Soc., 2017, pp. 1–13.

https://doi.org/10.1111/jace.14734

citation_journal_title=Bull. Lebedev Phys. Inst.; citation_title=Effect of below-freezing temperature on optical loss of polyimide-coated optical fibers; citation_author=M.I. Bulatov, I.S. Azanova, A.F. Kosolapov, A.N. Smirnova, I.D. Saranova; citation_volume=46; citation_publication_date=2019; citation_pages=276-278; citation_doi=10.3103/S1068335619090021; citation_id=CR28

Akhmed, B.B., Nishchev, K.N., Pynenkov, A.A., and Moiseev, N.V., Determination of the thermal stability of optical fibers, Prikl. Fiz., 2017, no. 5, pp. 82–86.

Zhangwei Ma, Zhifeng Wang, Huanhuan Liu, Fufei Pang, Zhenyi Chen, and Tigyun Wang, Tensile strength and failure behavior of bare single mode fibers, Opt. Fiber Technol., 2019, no. 52, pp. 1–5.

https://doi.org/10.1016/j.yofte.2019.101966

Vincenzo, M.S., Diego, P., Francesco, S., Nadia, G.B., Edoardo, C., Giuseppe, F., and Daniel, M., Mechanical properties of resorbable calcium-phosphate glass optical fiber and capillaries, J. Alloys Compd., 2019, no. 778, pp. 410–417.

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.033

citation_journal_title=Opt. Eng.; citation_title=Optical fiber coatings for biomedical applications; citation_author=D.R. Biswas; citation_volume=31; citation_publication_date=1992; citation_pages=1400-1403; citation_doi=10.1117/12.57701; citation_id=CR32

Melin, G., Guitton, P., Montron, R., Gotter, T., Robin, T., Overton, B., Rizzolo, S., and Girard, S., Radiation resistant single-mode fiber with different coatings for sensing in high dose environments, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2018, no. 7, pp. 1657–1662.

https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2885820

citation_title=Mechanical properties of weak optical fibers, Proc.; citation_publication_date=1999; citation_id=CR34; citation_author=E.M. Ricardo; citation_publisher=Optical Fiber Reliability and Testing