WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

лочкой и сердцевиной волокна со стороны оболочки возНа рис. 3, a, b представлены зависимости радиальной никают тепловые механические напряжения растяжения (нормальной) компоненты тензора растягивающих 0.13 GPa. Согласно данным работ [14,15], прочность механических напряжений от радиуса r и времени t для волоконных световодов лежит в широких пределах от двух значений интенсивностей энергии УФ-света 0.2 до 6.5 GPa. Прочность „бездефектных“ кварцевых Q0 = 6.5 · 1010 и 1 · 1010 W · m-2 при z = 0. Из волокон на воздухе составляет 5-6GPa [14,15]. Тарис. 3 следует, что нормальная компонента тензора ким образом, механические напряжения, определенные механических напряжений на границе между нами, примерно на порядок ниже критических. Если оболочкой и сердцевиной волокна достигает значения следовать традиционной концепции разрушения [15,16], rr 0.13 GPa при интенсивности излучения Q0 = необходимо принять, что в волокне имеются различные = 6.5 · 1010 W · m-2 и rr 0.05 GPa при интенсивности дефекты, и в частности микротрещины. Сама граница излучения Q0 = 1 · 1010 W · m-2. Тангенциальная раздела между сердцевиной и оболочкой волокна может компонента тензора напряжения при этих значениях являться местом локализации напряжений. В общем интенсивности принимает значения 0.09 GPa при интенсивности излучения Q0 = 6.5 · 1010 W · m-2 случае напряжения = q, где q — коэффициент усиления, связанный с локализацией напряжений. Однако и 0.45 GPa при интенсивности излучения ни сам коэффициент q, ни многие другие механические Q0 = 1 · 1010 W · m-2 соответственно.

параметры не дают однозначного ответа на вопрос, как Время существования таких напряжений (см. рис. 3, b) и в какой момент времени возникли микротрещины.

6 · 10-5 s, затем абсолютные значения напряжений быстро спадают. Каждый последующий импульс снова Для объяснения образования трещин в волокне, в кото„подбрасывает“ напряжения до этого значения. Отме- ром они изначально отсутствовали, воспользуемся иным тим, что напряжения эти сжимающие, поскольку серд- подходом, а именно обратимся к микроскопической цевина волокна „зажата“ его оболочкой. Зная темпе- теории разрушения хрупких тел, развитой в работе [17].

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 80 С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, М.Г. Шлягин Суть подхода состоит в следующем: процесс разрушения Согласно данным, приведенным в [11], поверххрупких материалов начинается не с роста трещин, уже ностное натяжение кварцевого стекла при 2000C имеющихся в твердом теле еще до приложения к нему 0.3J · m-2. При комнатной температуре значения нагрузки, а с зарождения пор. Если плотность пор будет поверхностного натяжения различных стекол, как повысокой, то они могут слиться друг с другом с образо- казали многочисленные исследования [16], изменяются ванием микротрещин. В общем случае поверхность пор от 0.546 до 1 J · m-2 для различных типов стекол.

при воздействии на них нагрузки может стать неустой- Как правило, поверхностное натяжение растворов ниже, чивой и поры могут превратиться в микротрещины [18]. чем у чистых веществ [21]. Поверхностное натяжение Последний процесс сходен с образованием дендритов между кристаллическими SiO2 или GeO2 и стеклом при росте кристаллов из растворов и расплавов [19]. этого же состава <0.1J· m-2. И последнее, поверхЗарождение пор происходит из-за флуктуаций вакан- ностное натяжение пор в твердых телах, как прависий, образующихся в хрупких телах под нагрузкой. ло, ниже, чем поверхностное натяжение поверхности Механизм образования пор аналогичен процессу кави- твердого тела. Поскольку основное падение напряжения, тации пузырьков пара в жидкости при кипении [20].

а соответственно и зарождение пор, происходит на В работе [17] было покоазано, что критический размер границе между сердцевиной волокна, легированной Ge, вакансионной поры, зародившейся под нагрузкой, может и не содержащей Ge кварцевой оболочкой, мы примем, быть вычислен по формуле что поверхностное натяжение 0.2J · m-2. Вполне возможно, что оно может быть и меньше, поскольку Rcr =, (16) на границе, где происходит переход от одного состава + 2E стекла к другому, значение поверхностного натяжения, как правило, уменьшается. Тем не менее примем, что где — поверхностное натяжение на границе пора– 0.2J · m-2.

внутренний объем тела, E — модуль Юнга, — Для нахождения величин Rcr, I0 и ti необходимо знать нормальная компонента тензора растягивающих напряобъем, приходящийся на одну вакансию в твердом теле жений в твердом теле до образования в теле поры.

a, и величину удельного граничного потока 0 при Для большинства хрупких твердых тел, в том числе данной температуре. Для вычисления этих коэффициени для кварцевого стекла, /2E. Это позволяет тов выясним, какие вакансии в кварцевом стекле могут переписать формулу (16) в следующем виде являться „строительным материалом“ для роста и зарождения пор, и определим значение энергии активации Rcr =. (17) образования и диффузии этих вакансий.

Среди собственных дефектов кремний-кислородной Число пор, возникающих в единице объема тела в сетки кварцевых стекол наиболее важными являютединицу времени при условии /2E, согласно [17], ся [10] дефекты типа кислородной вакансии и обрыва равно связи Si–O.

21/20 16 I0 = exp -, (18) В отсутствие кислорода между атомами кремния kBT 3 kBT соседних кремний-кислородных тетраэдров образуется где 0 = Nas exp(-Ed/kBT ) — кинетический коэфсвязь O3/2Si–SiO3/2. При наличии в стекле примеси герфициент, называемый удельным граничным потоком, мания, изоморфно замещающего кремний, кислородная 2/Nas 1/a, a — объем, приходящийся на один атом вакансия может располагаться у атома германия, при в твердом теле, Ed — энергия перехода вакансии из этом образуется дефектный комплекс O3/2Si–GeO3/2.

объема твердого тела на поверхность поры (эта энергия Дефектные комплексы O3/2Si–SiO3/2 и O3/2Si–GeO3/по физическому смыслу является энергией активации являются центрами поглощения света в УФ-области.

диффузии вакансии), — частота перехода вакансий из В частности, кислородные вакансии ответственны за пообъема тела в пору, Nas — плотность атомов вблизи лосу поглощения 248 nm [22], как раз соответствующую поверхности поры, — коэффициент, учитывающий длине волны эксимерового лазера.

изменение работы образования поры при ее зарождении Дефекты типа разрыва ковалентной связи Si–O обрана границе раздела фаз, дефектах, поверхностях полос зуются по одному из двух возможных механизмов [10].

сдвига, как правило, 10-1-10-2 [17]. В теории фазоПри одном из них на атомах кремния и кислорода вых переходов первого рода I0 носит название скорости остается по одному электрону, в результате чего вознинуклеации, или скорости зародышеобразования [21].

кают два электрически нейтральных дефекта. Если при Важнейшей характеристикой фазового превращения разрыве связи валентная пара электронов остается на является величина, называемая в теории нуклеации атоме кислорода, образуется два заряженных дефекта временем инкубации. Это есть время установления O3/2Si+ и OSiO3/2. Как правило, первый тип дефектов стационарной скорости зародышеобразования. В случае образуется в процессе облучения стекла или при его зарождения пор под воздействием механической нагрузмеханическом разрушении. Энергия активации разрыва ки [17] это время можно оценить по формуле связи Si–O по порядку величины составляет 6 eV. Однако эти дефекты могут с выигрышем энергии взаимодейство4kBT ti =. (19) 2 вать с примесями и фрагментами кремний-кислородной Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Образование микропор в оптическом волокне под воздействием импульсного УФ-света... сетки, что приводит к существенному снижению энергии ti и I0 являются критическими для процесса зарождения активации их образования [10]. пор. Так, при меньшем значении напряжения, т. е.

Считается, что дефекты типа кислородной вакансии меньшем значении мощности УФ-света, поглощаемого образуются в кварцевом стекле либо в процессе синтеза, сердцевиной волокна, скорость нуклеации быстро либо при облучении стекла быстрыми нейтронами [10]. спадет до нуля. Например, при интенсивности излучения В германо-силикатных стеклах, однако, образуются то- Q0 = 1010 W · m-2, I0 = 0, а при Q0 = 4 · 1010 W · m-чечные дефекты, создаваемые примесью германия. Су- I0 102 m-3 · s-1. Таким образом, граничным значением ществуют различные модели германиевых кислородде- мощности импульса, при котором в объеме волокна фицитных центров. Например, в [23] была предложена могут образовываться поры, для „идеального“ волокна будет Q0 4 · 1010 W · m-2, что хорошо модель нейтральной вакансии кислорода NOV вблизи соответствует экспериментальным данным. Поскольку атома Ge. Согласно этой модели, относительно слабая связь Ge–Si может разрываться при облучении волок- любое волокно содержит различного типа дефекты, в частности на границе между германо-силикатным и на УФ-фотонами, а не только при облучении стекла кремне-силикатным волокном мощность, приводящая к быстрыми нейтронами [13]. При этом фрагменты NOV, зарождению пор, может быть ниже этой величины. Если взаимодействуя с различными радикалами в стекле, волокно растянуто в процессе облучения, зарождение могут образовывать новые виды дефектов.

пор будет происходить при еще более низкой энергии Подытоживая сказанное, можно отметить, что энергия облучения. Критической для зарождения пор является активации перехода кислороддефицитных центров на аномальной конфигурации в нормальную лежит в преде- и энергия активации перехода вакансий из объема лах от 0.1 до 0.5 eV, что подтверждается и при компью- стекла на поверхность пор. Оценки показывают, что если энергия активации Ed больше, чем 1 eV, то терном моделировании. Для германо-силикатных стекол время инкубации ti 10-6 s. Именно это значение эта энергия имеет более низкое значение, чем 0.5 eV, в времени сопоставимо со временем существования в силикатных стеклах она 0.5 eV [13]. В нормальной конволокне напряжений, достаточных для образования пор фигурации вакансии Ge–Si расстояние между атомами (рис. 3) при Ed 1.5eV, ti 10-2 s. При таком времени Ge и Si приблизительно равно 2.3. Из дальнейшего инкубации процесс зарождения пор за один импульс будет видно, что именно такое значение энергии актибудет уже невозможен.

вации перехода дефектов из одного состояния в другое Теперь определим все основные характеристики обсоответствует возможности зарождения пор в стекле, разования пор, а именно зависимости напряжения в при облучении импульсами УФ-света с интенсивностью волокне, скорости нуклеации пор, плотности пор от порядка Q0 1010 W · m-2. Это подтверждают данные, времени и вычислим функцию распределения пор по приведенные в вышеуказанных работах.

размерам. Согласно результатам, полученным в рабоВ связи с этим не будем уточнять тип точечного те [17], для расчета этих величин необходимо знать дефекта, а примем, что энергия активации диффузии соотношение между временем характерного изменения дефекта (мы будем называть этот дефект вакансий, не пересыщения t0 =(02/31()())-1 и временем жизуточняя его физического смысла) на границе раздела ни неравновесных вакансий 0. Для вычисления этого между германиевой сердцевиной и кремниевой оболочсоотношения необходимо рассчитать значения безразкой волокна равна 0.4 eV. Объем этого дефекта вычислим мерных параметров Q = t0 /0(1 + kBT /0) и K, где исходя из расстояния между атомами 2.3. При этом объем дефекта равен 5 · 10-29 m3. Отсюда величи At0I0(kBT )на кинетического коэффициента 0 1028 m-2 · s-1. ПоK =, 16(0)2Nacvскольку поры образуются на поверхности раздела оболочки и сердцевины, будем считать, что коэффициент, 2(3)2/3() входящий в уравнения (18) и (19), 10-1 [24]. Выше A =, =, (2 - 3cos + cos3 )2/3 3(kBT )было найдено, что при мощности импульса Q0 = 6.1010 W · m-2 температура в сердцевине волокна до- — краевой угол, учитывающий форму поры на границе стигает T 900 K и за время t 2 · 10-5 s спадает до раздела оболочки и сердцевины волокна, Na — плот 700 K. Дальнейший анализ покажет, что процесс заро- ность атомов в стекле, cv0 — равновесная концентрация ждения пор окончился как раз ко времени t 5 · 10-5 s.

вакансий в стекле. Если Q K, то релаксация неравноДля упрощения расчетов примем, что процесс зарожде- весных вакансий не будет оказывать заметного влияния ния происходит в „квазитермических“ условиях, и все на процесс зарождения пор. При Q K релаксация пропараметры будем вычислять при средней температуре исходит достаточно интенсивно и поры не зарождаются, нагрева волокна T 800 K. при Q K необходимо учитывать влияние релаксации При этих значениях констант и Q0 = на скорость зарождения пор.

= 6.5 · 1010 W · m-2 критический радиус Rcr, время Оценим величину Q и K для значения интенсивности инкубации ti и скорость нуклеации I0 примут в импульсе Q0 = 6.5 · 1010 W · m-2 (в дальнейшем все следующие значения: Rcr 3 · 10-9 m, ti 10-8 s и расчеты мы будет проводить только для этого значения I0 1019 m-3 · s-1. Отметим, что полученные значения интенсивности), так A 10-1. Время 0, согласно [17], 6 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 82 С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, М.Г. Шлягин можно оценить по формуле 0 (02/3)-1, отсюда На рис. 4, a, b, c приведены зависимости (t), I(t) Q 102. Значение коэффициента K существенно зави- и N(t), можно видеть, что при значении времени сит от величины равновесной концентрации вакансий t 2 · 10-5 s скорость зарождения пор равна нулю, а cv0. Для случая рассматриваемого нами K 10-17 · c-1, плотность пор выходит на стационарное значение, равvотсюда следует, что только в том случае, если кон- ное N(t) 2 · 1013 m-3. Расчеты функции распределения центрация равновесных вакансий достигает величины пор по размерам g(R, t) показывают, что максимальпорядка cv0 = exp(-Ev/kBT ) 10-19 и энергия акти- ный размер пор при этом значении времени равен вации образования вакансий Ev 3 eV, могут реализоваться процессы зарождения пор и образования трещин.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.