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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李建儒
研究生(外文):Jian-Ru Lee
論文名稱:光纖之破壞分析研究
論文名稱(外文):Failure analysis of optical fibers
指導教授:陳承斌陳承斌引用關係
指導教授(外文):C. P. Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立東華大學
系所名稱:材料科學與工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:破壞鏡面破壞鏡面常數次極限裂縫成長
外文關鍵詞:fracture mirrorfracture mirror constantsubcritical crack growth
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單軸拉伸試驗與兩點彎曲破壞試驗並進行破壞面觀察與分析,以探討對剝除與未剝除高分子材料保護層光纖試樣破壞面之影響。玻璃纖維不論在拉伸試驗或彎曲試驗的破壞面上通常可以發現破裂起始缺陷、破壞鏡面區,及霧面區和羽狀區等典型脆性材料破壞表面特徵。破壞應力(σcr)與鏡面半徑(r)間關係可表示成:σcr r1/2 = A,A稱為鏡面常數。
剝除高分子保護層光纖試樣之拉伸試驗破壞面上測得破壞鏡面半徑大小由1.93μm到36.14μm不等,破壞起始缺陷由計算求得分佈在6.18∼0.22μm。彎曲試驗破壞面上的破壞鏡面大小分佈在2.49∼18.27μm,破壞起始缺陷由計算求得分佈在 .087∼ .012 μm。拉伸試驗與兩點彎區試驗的破壞鏡面常數(A)平均值分別為1.81 MN/m3/2 及9.51 MN/m3/2。
然而,在未剝除高分子保護層的光纖試樣破壞面上,無論拉伸試驗或兩點彎曲試驗均未發現破壞鏡面區,反溯羽狀區的裂紋方向仍可發現破壞發生的起始點缺陷。計算求得拉伸試驗破壞起始缺陷分佈在 .02 ∼ .034 μm,彎曲試驗破壞起始缺陷則分佈在 .008 ∼ .014 μm。
50%破壞機率之破壞強度的比較上:未剝除保護層光纖拉伸試驗(~4.72GPa)低於彎曲試驗破壞強度(~6.14GPa),剝除保護層光纖拉伸試驗(~0.7GPa)亦低於彎曲試驗破壞強度(~5.02GPa)甚多。10cm gauge length的破壞強度(ave. 5.82 GPa)大於50cm gauge length的破壞強度(ave. 5.28 GPa)。
Sumitomo光纖,10cm gauge length的偉佈係數(56.16)大於50cm gauge length的偉佈係數(22.82約近一倍。然而卓越光纖者10 cm gauge length 為32.67, 50 cm gauge length為 28.16;Corning光纖10 cm gauge length為 21.1, 50 cm gauge length 21.47,兩gauge length之影響不大。
剝除與未剝除高分子材料保護層光纖試樣之破壞強度、偉佈係數與破壞面上特徵受環境影響,顯示:破壞鏡面之形成與外在環境影響產生次極限裂縫成長機制有關。與外界環境隔離的未剝除保護層光纖試樣受到應力時,破壞時只有快速的裂縫行進發生,而無次極限裂縫成長發生,因此剝除保護層光纖之鏡面常數亦為環境因素所影響。
Single mode optical fibers, as-received and coating-stripped, subjected to tension and two-point bending, were evaluated. Typical fractography of brittle material, such as fracture initial “flaw”, “mirror”, “mist”, and “hackle” marks were found on the fracture surface of coating-stripped optical fibers. The relationship between fracture stress (σcr), mirror radius (r), and mirror constant (A) can be expressed as: σcr r1/2 = A.
The measured fracture mirror radii (r) of coating-stripped optical fibers subjected to tensile stress: rT = 1.93 ~ 36.14μm, while those to bending: rB = 2.94 ~ 18.27μm. The fracture mirror constants for these stripped optical fibers subjected to tension and bending were determined to be 1.81 and 9.51 MN/m3/2, respectively. The calculated fracture initial flaw sizes are ranging from 0.2 to 6.2μm and 0.087 to 0.012μm, for tension and bending tests, respectively.
However, the fracture mirror region cannot be observed on the fracture surface of as-received (with coating) optical fibers tested in both tension and two-point bending. By tracing of the fracture hackle marks, a fracture initial flaw can be found. The calculated fracture initial flaw sizes are 0.016 to 0.034μm for tension tests, and 0.085 to 0.014μm for bending tests.
The fracture strength of as-received optical fibers at 50% failure probability under tension and bending strength tests were measured to be 4.72 and 6.14 GPa, respectively. Similarly, the fracture strength of coating stripped optical fibers at 50% failure probability under tension and bending strength tests were measured to 0.7 and 5.02 GPa, respectively. The strength of optical fibers, subject to tension is less than that of two-point bending, can be explained by Weibull critical flaw distribution theory.
The effect of gauge length between 10 to 50 cm on tensile strength tests, conducted on Prime, Sumitomo, and Corning’s optical fiber specimens, was found to be minimal.
The failure analyses on the fracture surface of as-received and coating-stripped optical fibers subjected to several environmental strength tests suggested that the formation of mirror region in glass fiber is a result of environmental assisted subcritical crack growth.
摘要…………………………………………………………………….i
ABSTRACT……………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………….v
圖索引………………………………………………………………….viii
表索引………………………………………………………………….xii
壹、 緒論………………………………………………….………….... 1
一、 引言…………………………………………….……………... 1
二、 歷史背景……………………………………………………… 2
三、 光纖介紹…………………………………………………….... 4
四、 光纖損耗特性……………………………………………….... 6
五、 破壞科學理論……………………………………………...…13
六、 偉佈統計分析………………………………………………...18
貳、 實驗目的……………………………………………….………...20
參、 實驗方法………………………………………….……………...21
一、 試樣…………………………………………………………...21
二、 強度實驗……………………………………………………...23
1. 單軸拉力強度實驗…………………………………………23
2. 兩點彎曲強度實驗…………………………………………25
三、 Gauge Length對單軸拉力強度之影響…………………27
四、 保護層對光纖破壞強度影響………………………………...27
五、 環境試驗……………………………………………………..28
六、 掃描式電子顯微鏡(SEM)破壞面分析…………………...29
肆、 實驗結果…………………………………………….…………...30
一、 強度試驗……………………………………..……………….30
1. 單軸拉力強度實驗…………………………………………30
2. 兩點彎曲強度實驗…………………………………………34
二、 Gauge Length對單軸拉力強度之影響…………………...38
1. 卓越光纖……………………………………………………38
2. Sumitomo……………………………………………………41
3. Corning…...…………………………………………………44
三、 保護層對光纖破壞強度影響………………………………...47
1. Sumitomo……………………………………………………47
2. Corning…...…………………………………………………50
四、 環境試驗…..……………………………………….….….…53
1. 室溫(∼25℃),65 5% RH – 於大氣中測試………53
2. 浸泡於水中72hrs – 在水中測試……………………….53
3. 室溫,25 wet% 環境下72hrs – 於大氣中測試………...56
4. ∼100℃烘箱中靜置72 hrs – 於大氣中測試…………...58
五、 掃描式電子顯微鏡(SEM)破壞面分析…………………….67
1. 強度實驗……………………………………………………67
2. 環境試驗……………………………………………………73
伍、 討論………………………………………………………………79
一、 強度試驗……………………………………………………79
1. 破壞面………………………………………………………79
2. 實驗結果比較………………………………………………80
二、 Gauge Length對單軸拉力強度之影響………………..82
三、 保護層對光纖破壞強度影響………………………………83
四、 環境試驗……………………………………………….84
五、 掃描式電子顯微鏡(SEM)破壞面分析…………………88
陸、 結論………………………………………………………………89
柒、 參考文獻…………………………………………………………92
捌、 未來工作…………………………………………………………96














圖索引

圖1-1 單模光纖構造簡易圖 4
圖1-2 光線在光纖中的路徑示意圖 4
圖1-3 玻璃中所摻雜離子對波長的相對吸收損耗 7
圖1-4 熔矽土中以dB/km/ppm為單位的OH衰減光譜 7
圖1-5 本質的衰減(α),本質的散射(αs),及本質的吸收(αa)與波
長的關係 8
圖1-6 石英系光纖對光源波長的主要損失 9
圖1-7 彎曲光纖中的損耗 10
圖1-8 光纖表面微彎曲變形的損耗 10
圖1-9 820nm光源,光纖在鈷60輻射照射下之衰減 11
圖1-10 由理論推算之最佳效率光纖通訊雷射光源波長 12
圖1-11 破壞面上各區域分佈圖 14
圖1-12 玻璃纖維在單軸拉伸試驗下破壞情形示意圖 15
圖1-13偉佈(Weibull)破裂機率(G)與破壞應力(S)曲線圖 19
圖2-1 光纖拉力試驗之夾具 24
圖2-2 光纖兩點彎曲強度試驗之示意圖 25
圖2-3 光纖兩點彎曲強度試驗之夾具 26
圖4-1 POFC光纖試樣拉伸試驗破壞應力與破壞機率關係圖 31
圖4-2 未剝除保護層POFC光纖拉伸試驗偉佈係數 32
圖4-3 已剝除保護層POFC光纖拉伸試驗偉佈係數 32
圖4-4 POFC光纖試樣彎曲試驗破壞應力與破壞機率關係圖 34
圖4-5 未剝除保護層光纖彎曲試驗偉佈係數 35
圖4-6 已剝除保護層光纖彎曲試驗偉佈係數 36
圖4-7 POFC(Gauge Length = 10cm, 50 cm)拉伸破壞應力與破壞機率關係圖 39
圖4-8 POFC(Gauge Length = 10cm) 拉伸試驗偉佈係數 39
圖4-9 POFC(Gauge Length = 50cm) 拉伸試驗偉佈係數 41
圖4-10 SOFC(Gauge Length = 10cm, 50 cm)拉伸破壞應力與破壞機率關係圖 42
圖4-11 SOFC(Gauge Length = 10cm) 拉伸試驗偉佈係數 43
圖4-12 SOFC(Gauge Length = 50cm) 拉伸試驗偉佈係數 44
圖4-13 COFC(Gauge Length = 10cm, 50 cm)拉伸破壞應力與破壞機率關係圖 45
圖4-14 COFC(Gauge Length = 10cm) 拉伸試驗偉佈係數 46
圖4-15 COFC(Gauge Length = 50cm) 拉伸試驗偉佈係數 47
圖4-16 SOFC(as-received)彎曲試驗破壞應力與破壞機率關係圖 48
圖4-17 SOFC(as-received)彎曲試驗偉佈係數 49
圖4-18 SOFC(stripped)彎曲試驗偉佈係數 50
圖4-19 COFC彎曲試驗破壞應力與破壞機率關係圖 51
圖4-20 COFC(as-received)彎曲試驗偉佈係數 52
圖4-21 COFC(stripped)彎曲試驗偉佈係數 53
圖4-22 POFC浸水72小時破壞應力與破壞機率關係圖 54
圖4-23 POFC(as-received)浸水72小時偉佈係數 55
圖4-24 POFC(stripped)浸水72小時偉佈係數 56
圖4-25 POFC(stripped)室溫,25%RH環境下72hrs破壞應力與破壞
機率關係圖 56
圖4-26 POFC(stripped)室溫,25%RH環境下72hrs偉佈係數 57
圖4-27 POFC約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗破壞應力與破
壞機率關係圖 59
圖4-28 POFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉
佈係數 59
圖4-29 POFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉佈
係數 60
圖4-30 SOFC約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗破壞應力與破
壞機率關係圖 61


圖4-31 SOFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉
佈係數 62
圖4-32 SOFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉佈
係數 63
圖4-33 COFC約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗破壞應力與破
壞機率關係圖 64
圖4-34 COFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉
佈係數 65
圖4-35 COFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗偉佈
係數 66
圖4-36 未剝除保護層POFC光纖拉伸試驗代表性破壞面 67
圖4-37 剝除保護層光纖拉伸試驗代表性破壞面 68
圖4-48 上圖光纖試樣破壞鏡面放大圖 68
圖4-39 上圖光纖試樣起始缺陷放大圖 69
圖4-40 未剝除保護層POFC光纖彎曲試驗代表性破壞面 70
圖4-41 圖4-40之破壞起源點附近放大 70
圖4-42 圖4-41破壞起源放大 71
圖4-43 剝除保護層光纖兩點彎曲試驗代表性破壞面 71
圖4-44 圖4-43破壞鏡面放大圖 72
圖4-45 圖4-44破壞起始缺陷放大圖 72
圖4-46 72hrs steeped POFC彎曲試驗破壞面 74
圖4-47 圖4-46傾斜角度後放大圖 74
圖4-48 72hrs baked POFC彎曲破壞面 75
圖4-49 圖4-48破壞面放大圖 75
圖4-50 圖4-49破壞起源處放大圖 76
圖4-51 72hrs baked POFC彎曲破壞面 76
圖4-52 圖4-51破壞面放大圖 77
圖4-53 圖4-51破壞面放大圖另角度俯視圖 77
圖4-54 72hrs baked COFC彎曲破壞面 78
圖4-55 圖4-54傾斜角度俯視圖 78
圖5-1 POFC拉伸試驗與彎曲試驗破壞應力強度綜合比較 81
圖5-2 各光纖在各環境後破壞應力強度與破壞機率關係比較(I) 86
圖5-3 各光纖在各環境後破壞應力強度與破壞機率關係比較(II) 86
圖5-4 各光纖各環境後偉佈係數比較(I) 87
圖5-5 各光纖各環境後偉佈係數比較(II) 87






表索引
表1-1 各離子的損耗效應 6
表2-1光纖試樣之一般物理性質 22
表4-1 未剝除保護層POFC光纖拉伸試驗結果 31
表4-2 剝除保護層POFC光纖拉伸試驗結果 33
表4-3 未剝除保護層POFC光纖彎曲試驗結果 35
表4-4 已剝除保護層POFC光纖彎曲試驗結果 36
表4-5 Gauge Length = 10cm之POFC拉力強度試驗結果 40
表4-6 Gauge Length = 50cm之POFC拉力強度試驗結果 40
表4-7 Gauge Length = 10cm之SOFC拉力強度試驗結果 42
表4-8 Gauge Length = 50cm之SOFC拉力強度試驗結果 43
表4-9 Gauge Length = 10cm之COFC拉力強度試驗結果 45
表4-10 Gauge Length = 50cm之COFC拉力強度試驗結果 46
表4-11 SOFC(as-received)彎曲試驗結果 48
表4-12 SOFC(stripped)彎曲試驗結果 49
表4-13 COFC(as-received)彎曲試驗結果 51
表4-14 COFC(stripped)彎曲試驗結果 52

表4-15 POFC(as-received) 浸水72小時後彎曲試驗結果 54
表4-16 POFC(stripped) 浸水72小時後彎曲試驗結果 55
表4-17 POFC(stripped)室溫,25%RH環境下72hrs彎曲試驗結果 57
表4-18 POFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結
果 58
表4-19 POFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結果 60
表4-20 SOFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結
果 62
表4-21 SOFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結果 63
表4-22 COFC(as-received)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結
果 65
表4-23 COFC(stripped)約100℃烘箱中靜置72小時彎曲試驗結果 66
表5-1 各光纖試樣50%破壞機率強度值 80
表5-2 各光纖不同Gauge Length50%破壞機率強度值 82
表5-3 各光纖試樣破壞強度及偉佈係數整理 83
表5-4 受各環境光纖試樣破壞強度及偉佈係數整理 85
1.J. E. Ritter, J. M. Sullivan, K. Jakus, “Application of fracture mechanics theory to fatigue failure of optical glass fibers,” J. Appl. Phys., 49(9), pp4779-82, 1978.
2.S. P. Craig, W. J. Duncan, P. W. France, and J. E. Sodgrass, “The strength and fatigue of large flaws in silica optical fibers,” in Proc. 8th ECOC (Cannes, France), 1982.
3.FOTP-28B, “Method for measuring dynamic tensile strength of optical fiber,” American National Standard, EIA/TIA, Sept. 1990.
4.V. S. Kuksenko, U. Sultanov, A. Abdumanonov, M. I. Shamsidinov, and S. N. Karimov, “Strength and operating lifetime of optical fibers,” Tech. Phys. Lett. 19(1), p58-59, 1993.
5.P. W. France, M. J. Paradine, M. H. Reeve, and G. Newns, “Liquid nitrogen strengths of coated optical glass fibres,” J. Mater. Sci., 15, pp825-30, 1980.
6.M. J. Matthewson, C. R. Kurkjian, and S. T. Gulati, “Strength measurement of optical fibers by bending,” J. Am. Ceram. Soc., 69(11), pp815-821, 1986.
7.張定中,蕭傑美,陳惠珍,徐希白,林益全 “二點彎曲法應用於光纖(帶)可靠性研究”,電信研究,26:3期, pp477-496, June, 1996.
8.G. J. Nelson, M. J. Matthewson, and B. Lin, “A novel four-point bend test for strength measurement of optical fibers and thin beams – Part I: Bending analysis,” J. Lightwave Tech. IEEE, 14(4), pp555-563, 1996.
9.M. J. Matthewson, and G. J. Nelson, “A novel four-point bend test for strength measurement of optical fibers and thin beams – Part II: Statistical analysis,” J. Lightwave Tech. IEEE, 14(4), pp564-571, 1996.
10.吳順正編著,“光纖特性與應用”,全華科技圖書公司,1993。
11.R. Allen Shotwell, An Introduction to Fiber Optics, Prentice-Hall, Inc, 1997.
12.賴耿陽、蘇品書編撰,“通訊光纖應用技術”,復漢出版社,1999。
13.張添喜,“光纖劣化機理之研究與二氧化矽包覆奈米碳球含金屬磁性材料之研製”,2001。
14.廖顯奎、陳奇峰、林奎輝編著,“光纖特性與通訊系統”,光電半導體與光訊息顯示儲存技術人才培訓計畫講義,2001。
15.J. R. Lee and C. P. Chen, “Fracture Mirror of Optical Fibers,” FSC 2002, paper, 2002.
16.Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITIONS, McGraw-Hill Book Co, 2000.
17.John Powers, An Introduction to Fiber Optic Systems, McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITIONS, McGraw-Hill Book Co, 1999.
18.Joseph C. Palais, Fiber Optic Communications, Prentice-Hall, Inc, 1998.
19.C. P. Chen and T. H. Chang, “Fracture mechanics evaluation of optical fibers,” Materials Chemistry and Physics 9294, Vol. 77(1), pp110-116, 2002.
20.J. R. Lee and C. P. Chen, “Failure analysis of optical fiber,” CMCS 2001, paper, 2001.
21.R.Morrell, “Standardized guidelines for fractography of advanced ceramics – a view from Europe,” Fractography of glasses and ceramics III, edited by J.R. Varner, V.D. Fréchette, G.D. Quinn, pp71-89, 1995.
22.J.W. Johnson and D. G. Holloway, “On the shape and size of the fracture zones on glass fracture surfaces,” Phil. Mag., 14, pp731-743, 1966.
23.David J. Green, An introduction to the mechanical properties of ceramics, Cambridge University Press, 1998.
24.Derek Hull, Fractography, Cambridge University Press, 1999.
25.J.J. Mecholsky, R. W. Rice and S. W. Freiman, “Prediction of fracture energy and flaw size in glasses from measurements of mirror size,” J. Am. Ceram. Soc., 57(10), pp440-443, 1974.
26.A. I. A. Abndel-Latif, R. C. Bradt and R. E. Tressler, “Dynamics of fracture mirror boundary formation in glass,” Int. Journ. of Fracture, 13( 3), pp349-359, 1977.
27.J. J. Mecholsky and A. G. Gonzalez, “Fractographic analysis of delayed failure in soda-lime glass,” J. Am. Ceram. Soc., 62(11), pp577-580, 1979.
28.C. P. Chen and M. H. Leipold, “The application of fracture mechanics to failure analysis of photovoltaic solar modules,” Proc. of 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., CH1644-4, pp1122-1125, 1981.
29.B. Lawn, Fracture of Brittle Solids–Second Edition, Cambridge University Press, pp31-32, 1993.
30.J. J. Mecholsky, Jr., “Fractography, fracture mechanics and fractal geometry: an integration,” Fractography of glasses and ceramics III, edited by J.R. Varner, V.D. Fréchette, G.D. Quinn, pp385-393, 1995.
31.B. Lin and M. J. Matthewson, “Inert strength of subthreshold and post-threshold Vickers indentations on fused silica optical fibers,” Phil. Mag. A, Vol. 74, No.5, pp1235-1244, 1996.
32.C. R. Kurkjian, J. T. Krause and M. J. Matthewson, “Strength and Fatigue of Silica Optical Fibers, ” J. Lightwave Tech., IEEE, Vol. 7, No. 9, 1989.
33.M. J. Matthewson and C. R. Kurkjian, “Static Fatigue of Optical Fibers in Bending,” J. Am. Ceram. Soc., Vol. 70, No.9, pp622-668, 1987.
34.G. S. Glaesemann and S. T. Gulati, “Design Methodology for the Mechanical Reliability of Optical Fiber,” Optical Engineering, Vol. 30, No. 6, pp709-715, June 1991.
35.V. A. Bogatyrjov, etc., “Mechanical Reliability of Polymer coated and Heretically Coated Optical Fibers Based on Proof Testing, ” Optical Engineering , Vol. 30, No. 6, pp690-699, June 1991.
36.J. E. Ritter, T. H. Service and K. Jakas, “Predicted Static Fatigue Behavior of Specially Coated Optical Glass Fibers,” J. Am. Cerram. Soc., Vol. 71, No. 11, Nov. 1988.
37.D. R. Roberts, E. Guellar, L. M. Middleman, J. E. Ritter and T. H. Service, “Design Requirements for Optical Fiber in Bending,” SPIE, Vol.1174, Fiber optics Reliability, pp316-324, 1989.
38.Ricardo E. Medrano and Peter E. Gillis, “Weibull Statistics: Tenaile and Bending, ” J.Am.Ceram.Soc.,Vol.70,No.10,C230-232, 1987.
39.W. Weibull, “The phenomenon of rupture in solids,” Igeniors Vetenskaps Akademiens, Handlingar, 153, pp1-55, 1939.
40.W. Weibull, “A statistical distribution function of wide applicability,” J. Appl. Mech., 18, pp293-297, 1951.
41.方金生,〝塑膠被覆光纖機械性質之研究〞,私立逢甲大學,材料科學研究所碩士論文,1996.
42.Bolesh J. Skutnik and M.R. Trumbull, “High strength, unbuffered optical fibers,” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 239, pp210-218, 1998.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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