裂纹和断裂的成因分析与优化方案

光纤中石英玻璃的理论强度是由二氧化硅（SiO2）分子之间的键结合力所决定的。然而，光纤中石英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，这些都与光纤强度有关。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。

图9.3.1　微裂纹受力形态示意图

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。根据格里菲斯（Griffith）的能量平衡法则，假定光纤表面的微裂纹的裂口形状为V字形，如图9.3.1所示，且所加应力垂直于裂纹。外界作用压力将集中在V字形裂口的顶端，Griffith断裂理论中断裂应力σ与裂纹长度L的关系为：

式中：E——杨氏模量；

r——表面能；

L——裂纹长度。(www.xing528.com)

用裂纹尖端的应力场表示应力强度因子K1则有：

将式（9.3.1）代入式（9.3.2），可得到断裂条件为：

式中，K1C是应力强度因子的临界值，也称为断裂韧度，当裂纹应力强度因子K增加到K1C时，光纤上的微裂纹将会生长、扩展直至发生断裂。

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。

在理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂纹都不会自然生长，仅当外界施加的应力增加到K1C时，断裂才会发生。对非惰性环境下（如高温、潮湿、环境中有水分或化学物质）的光纤，任何施加应力都会使裂纹生长，由于氧－硅键发生水解，故它被称作为应力腐蚀。

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。静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间。动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载应力和断裂时间。