光纤制造过程中断裂原因的浅析

摘要：在光纤的整个制造过程中，光纤都有发生断裂的可能。在此篇文章中，笔者根据在高倍显微镜下观察的

结果并结合生产实际情况，初步分析了光纤制造过程中发生断裂的一些原因。

关键词：光纤 断裂原因 镜面 断裂应力

一引言

我们知道光纤制造中石英玻璃的理 论强度是由 (Si02)分子之间的键结

合力决定的，当SiO2键发生断裂时，其断裂强度高达20GPa。然而，由于

石英玻璃 中玻璃基体存在的微小不均匀性 、由高温熔融到骤冷的拉丝等均

会使石英玻璃表面形成应力分布不均生产环境中的尘埃、机械损伤等会使

光纤产生微裂纹 ，这些都会降低光纤的断裂强度。光纤强度一方面决定于

石英玻璃表面微裂纹的数量、大小、分布以及杂质的情况等，另外一方面

也取决于涂覆层 ，具体来讲 ，涂覆层对石英玻璃的粘附力越强，则对裂纹

的保护作用越明显，光纤的强度就越高但是光纤涂覆所用的树脂材料其固化

后的机械强度是MPa级 ，与石英玻璃相比，相差悬殊 ，故光纤的断裂强度

主要由石英玻璃部分决定的。

  我们知道 ，石英玻璃在常温下的断 裂是脆性断裂。根据Griffith脆性材料

断裂理论 ，假设光纤表面微裂纹的形状为U字形，外界作用力将集中在U字

形裂 口的顶端 ，计算出光纤断裂的条件为 :

其中，KIc为应力强度因子的临界值 ，称为断裂韧度，E为杨 氏模量 ，r

为表面能 。当裂纹应 力强度因子K增加到KIc时，光纤上的微裂纹将会生长

扩展直至发生断裂。   

   在理想环境条件下 (低温 、湿度为零、高真空)，任何裂纹都不会生长

这时 ，仅 当外界施 加的应力增加到KIC时,断裂才会发生。

在实际环境条件下，外界施加在光纤上的任何大小的应力，都会使裂纹生长 ，乃至光纤断裂。光纤表面的裂纹是光纤断裂的内在因素 ，应力和潮气的存在共同促进了裂纹的扩展，最后导致光纤断裂 。根据无机材料断裂特性方面相关的资料 ，裂纹的生长过

程可以分解成两个阶段 ：首先 ，源徽裂纹 (日口：断裂源)在应力作用下缓慢生长 ，形成镜面部分。然后 ，随着源微裂纹的生长产生出次微 裂纹 ，次 微裂纹开始迅速的生长 ，由于次微裂纹的数 目不止一个，故它们之间相互叠加，形成辐射状碎裂条纹 。典型的

镜面如图1所示。                                                      以上便是光以上便是纤发生断裂的原因和理 。

二． 光纤制造过程中断裂原 因的分析

在外界应力的作用下，石英玻璃中的微裂纹开始生长，最终导致光纤断裂，这种情况在光纤的制造过程中有时会出现 。通过高倍显微镜 ，我们可以对光纤的断面进行观察分析。对于有镜面的断面，一般都可以找到它的断裂源 ，借助扫描电镜和x一射线能量色散分析仪等仪器便可以分析出断裂源的类型，从而可以大致判断出是杂质、气泡还是外界损伤 引起的断裂。但是想要准确得到是哪种原因造成的光纤断裂是一件相当困难的事情 ，因为经常是有几个或数个因素参杂在一起，最终导致了光纤的断裂。

我们在显微镜下对发生断裂的光纤样品进行了观察分析，根据显微镜分析结果并结合光纤制造过程中遇到的实际情况，把断裂原因归结为以下几个方面 ：

1．镜面在石英玻璃的中心

一般来说，这种镜面表明，光纤断裂是由预制棒本身的问题造成的。对于预制棒本身缺陷造成的光纤断裂，通常在显微镜下，可以观察到断面中的镜面位于石英玻璃的中心部分，然后向各个方向呈辐射状散开去。这说明裂纹的生长源 (或断裂源)位于石英玻璃的中心部分，也就是说预制棒本身有杂质或气泡等。镜面形状如图2、3所示。在目前成熟的预制棒制造工艺条件下，由于预制棒本身问题，而造成拉制成的光纤发生断裂或强度较低的概率比较小。

2．在石英玻璃边缘部分有镜面

对于拉丝炉问题造成的光纤断裂，通常在显微镜下，可以观察到断面中的镜面位于石英玻璃的边缘，然后向石英玻璃的其他方向呈辐射状散开去。镜面形状如图4、5所示。在镜面附近的光纤涂层依然保持完好，这说明是石英玻璃部分出现问题造成了光纤的断裂。要么是石英玻璃部分混入了杂质或气泡，要么是石英玻璃部分被擦伤。具体原因可以由扫描电镜来分析断裂源得出。出现这种低应力断裂点的原因，可能与下列因素有关：(1)石英玻璃表面在拉丝过程中受到外部颗粒的污染，而杂质与石英玻璃的膨胀系数不同，导致光纤在冷却过程中的局部应力过大，形成了微裂纹；(2)由于冷却管内有碎光纤或其他杂质，光纤制造过程中与之有摩擦作用，造成石英玻璃表面的微裂纹 ；(3)由于制造或存放光纤的环境中，温湿度过高致使水分子扩散进入光纤，造成硅氧键断裂，形成微裂纹等。

如果镜面附近的光纤涂层出现了缺口，也即是此处光纤涂层有缺损 (图6、7)，则说明光纤的断裂可能和外界的应力作用有较大关系。此问题将在下面进一步讨论。

在对断面的分析中，有时可以看到全镜面 (图8)，则说明光纤上的此点微裂纹情况较为严重。

3．光纤涂层受损

在对光纤的断面分析过程中，有时发镜面附近的涂层有破损，此时则需要对断点附近的光纤表面进行观察分析，看是否能找到外界应力破坏光纤涂层造成光纤断裂的证据。一股来说，如果能在断点附近的光纤涂层表面找到较为严重的破损 ，则外界应力作用便应该是光纤断裂的重要原因，但有可能不是唯一的原因，需要根据实际情况进行具体分析图9、l0、ll表面光纤涂层受损严重。如果涂层受损严重，观察光纤外观时 ，则会发现光纤颜色可能会发生较为明显的变化。

4．无镜面

有时在收集到的光纤断点样品中，并未发现镜面 (图l2)， 且从侧面观察发现断面呈无规则、尖锐状 (图l3)，分析原因可能一是光纤断裂后与设备或其他地方发生碰撞 ，导致镜面被破坏，二是光纤受到了很大的外部作用力导致断裂，微裂纹还未来得及生长。对于这种，                                               我们基本上无法找到光纤断裂的原因。

三．总结

借助高倍显微镜对光纤断点样品进行观察分析，有助于迅速找出光纤发生断裂的原因。对于当时断裂时的应力也可以根据镜面的大小大致的推算出，这对我们判断光纤断裂点的强度有一定的帮助。镜面越小，断裂应力越大，通常说明光纤断裂因素中外界作用力占的可性较大，石英玻璃本身缺陷造成断裂的可能性较小；镜面越大 ，断裂应力越小，通常说 明光纤断裂因素 中石英玻璃本身原因占的可能性较大。我们得到的一张经验表格 (表1)，表明镜面半径与断裂应力大小的关系。

我们可以根据分析得到的光纤断裂原因，有针对性地对光纤制造工艺和环境进行改进和控制，使每千公里断点数维持在一个较低的水平上。

   参考文献 ：

1．胡先志 刘泽恒 等编著  光纤光缆工程测试)) 人民邮电出版社

2．李鸣洋 吴碧华 著 ((光缆线路障碍的查找与判别》