摘要：光纤机械强度与涂层随时间老化的关系在理论与实验中已得到证实。首先将光纤强度和涂层直径的测试值进行优选，将所有样本暴露于荧光灯的照射下，放置在23℃/50% R.H的恒定环境中。在试样被搁置的270天内在不同的时间段测试其机械强度。得出涂层直径的变化影响了光纤机械强度。结果是，光纤的机械强度随老化时间的延长而增加，但其增加速度与涂层厚度并不成正比例关系；涂层直径随时间老化而减小。以上现象自光纤放置大约200天以后出现变化，那时，光纤机械强度与涂层直径已渐趋稳定。由Lame公式可计算出光纤首层涂层的轴向应力，且计算值与实际测量值之间没有明显差别。同时发现，光纤机械强度与涂层老化时间的关系非常紧密。
关键词：光纤强度；涂层
1、 引言
要理解光纤有效寿命期间的机械特性，必须了解光纤的零应力老化。在各种环境下放置一定时间以后，通过测试其动态强度和疲劳特性，可以测量出经过老化后的光纤性能。由于光纤的寿命非常长，所以需要对其进行精确的预测。光纤抵抗暴露环境和保持其初始机械强度的能力对其保持持续通信能力是非常重要的。为了保持光纤长时间的机械强度，在制造过程中必须全敷聚合物层。
我们进行多次研究已经验证了老化时间对光纤强度的影响。正是由于强度下降和表面粗糙不平导致在恶劣环境中运行使光纤老化。问题出在表面硅晶体的分解上。一旦水分子渗透了聚合物涂层，就很容易到达玻璃表面，光纤强度将会加速下降。光纤机械强度高度依赖于UV固化的聚合物涂层，涂层固化技术和涂层与玻璃结合技术的发展能够长时间保持光纤的强度。如果涂层的保护作用没有得到发挥，将造成光纤强度下降。然而，有报道显示光纤强度也会随着硅玻璃体的老化而增加，这种现象可以用周边裂缝形态的改变来解释。尽管进行了多次研究，涂层随时间老化而收缩从而导致光纤强度下降的具体原因仍然不是很清楚。本文主要讨论光纤机械强度与涂层随时间老化的关系。
2. 理论依据及实验结果
2.1 理论
光纤由玻璃纤维与两层聚合物涂层构成。假如光纤直径无限大，由于玻璃与聚合物涂层的物理性质不同，先假设玻璃纤维的硬度比聚合物涂层大且忽略聚合物涂层的弹性形变。根据Lame公式，光纤第i层涂层的径向应力σr和切向应力σθ可分别由以下公式得到：
（i=1，2）和
式中，ri和pi分别为涂层i的半径和压强。
涂层通常情况下的轴向应力σZ可由以下公式得出：
式中，E、α、ΔT、εZ和υ分别为杨氏摸量、热膨胀系数、温度变量、轴向应变和泊松比。
2.2 实验装置
为了研究光纤机械强度与涂层随时间老化的关系，我们做了两个实验。用MCVD法以30米/秒的牵引速度拉制六盘样本光纤。首先，把四盘样本光纤用同一涂层厚度拉制，另外几盘也照此处理；第二步，把两盘样本光纤的首层涂层拉成不同厚度。在拉制和检验过程中，所有样本在荧光灯照射下被放置在一个温度为23±2℃和湿度为50±5% R.H.的恒定环境中。光纤强度用普通的拉力测定仪测量（Instron），即在样品光纤拉制后270天以内在不同的时间段用直径100mm的轴和长0.5m的十字夹头以25米/秒的轴向速度进行试验。
3. 实验结果
图.1和图.2分别是光纤拉制后涂层直径的变化情况。从中可看出，所有样本光纤的涂层直径都随时间老化而减小。但首层涂层和第二层涂层的直径下降速度却大不一样，首层涂层比第二层涂层的直径减少量大得多。因此，我们可以认为首层涂层的收缩对于光纤强度的影响起决定性作用。由（1）和（2）公式，对于任何半径为r的光纤，首层涂层收缩量的径向应力和切向应力可由公式得出：
和
式中，r0 和r1分别为光纤包层和首层涂层的半径，p1和pi为首层涂层和第二层涂层的侧压力。因为首层涂层的收缩量远远大于第二层涂层，所以第二层涂层的半径r2可以忽略不计。那么，如果光纤是弹性物体，由于涂层的收缩而引起的弹性力将作用于光纤上并假设其符合虎克定律，由公式（3）可得出首层涂层作用于光纤的弹性力如下：
式中，k,υ,E,εZ和α分别为常数，泊松比，杨氏模量，轴向应力和热膨胀系数。因为温度不变，所以ΔT为零。由公式（6）可得以下关于函数r1的方程：
式中，C1，C2，C3都为常数，轴向应力σZ可由光纤在半径为r1时的强度形式表达。
从图.1我们可得r1关于时间函数t的方程，通过代换可计算出轴向应力随时间老化的变化量。图.3显示的是光纤拉制后的时间老化与抗拉强度的关系。所有光纤样本的机械强度都随时间老化而降低。在光纤被拉制200天后，强度才趋于平稳而显示出相同的性质。测算线上的R2值为0.958。由以上结果可知，光纤的轴向应力可由涂层随时间老化的收缩量得出。
图.1拉丝后光纤的首层涂层直径与老化时间的关系
Fig.1. Changes in primary coating diameter with time after draw.
图. 2拉丝后光纤的第二层涂层直径与老化时间的关系
Fig.2. Changes in secondary coating diameter with time after draw.
4. 讨论
对两份样本光纤涂敷不同厚度的涂层以后。开始研究光纤强度与涂层厚度随时间老化的关系。
图.4显示的是光纤强度随时间老化而降低的关系，但降低的速度与涂层厚度完全无关。样品E比样本F的首层涂层直径小，第二层涂层则与另一拉制条件的样品一样。样品E与图.3中所有样品具有类似随时间老化的机械强度性质，而样本F则大不一样。以上结果表明光纤强度还受涂层厚度以外其他因素的影响。
图.3拉丝后光纤的抗拉强度与老化时间的关系
Fig.3. Relationship between time after draw and tensile strength.
图.4不同涂层厚度的光纤抗拉强度与老化时间的关系
Fig.4. The tensile strength depending on different coating thickness with time aging
前面已经讨论了光纤涂层的固化与拉制条件特别是UV灯的功率之间的关系。在基于不同Tg的高强度UV灯照射和固化温度的情况下，首层涂层表现出比第二层涂层产生胶体碎片的趋势较少。
首层涂层有着和橡胶一样柔软的特性。因为样本F比样本E的首层涂层厚度要大得多，很有可能其涂层的固化不够，所以，样本F仍然存在一些没有完全固化的聚合物凝胶。样本F中未固化的聚合物凝胶有时可起到轴向应力缓冲层的作用，这种作用的效果取决于已经作用了相当一段时间的轴向应力。另一方面，样本E持续受到首层涂层收缩带来的轴向应力作用。通常情况下，在拉制和测试过程中，光纤拉出后始终都放置在室温、室湿、荧光灯照射的恒定环境中，并进行筛选试验。在此期间，一部分聚合物凝胶固化了，但仍然存在没有完全固化的聚合物凝胶。当光纤放置在另外的储存环境以后，原来没有固化的凝胶也随着时间的推移也慢慢地固化了。这样，涂层中残留有未固化凝胶光纤的机械性能将随着时间的变化而改变。这种现象在光纤拉制过程中不会立刻发生，而是在光纤机械强度稳定下来之前一直在慢慢地进行。
5. 结论
要研究光纤机械强度与涂层随时间老化的关系。从以上结果可知，光纤机械强度随时间老化而增加，涂层直径随时间老化而减小。这种情况一直持续到光纤拉制约200天后，随后机械强度与涂层直径渐渐趋于平稳。由Lame公式可知，这两项数据的实测值与计算值之间无明显区别。同时，光纤机械强度与时间老化和涂层厚度有很大关系。涂层的收缩是使光纤机械强度降低的一个主要因素，但其降低的速度与涂层厚度不成正比关系。
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