76 / 104
EuroWire –
июль
2008
г.
74
Техническая статья
Рис. 3.
▼
▼
Зависимость расчетного температурного напряжения от температуры для обычного 250-мкм
волокна (предполагается, что напряжение начинает возникать ниже температуры Tg (~50 °C) вторичного
покрытия)
Рис. 4.
▲
▲
Пустоты в слое первичного покрытия,
вызванные
циклическим
изменением
температуры
в
500-мкм
волокне,
при
40-кратном
увеличении
(слева)
и
при
200-кратном увеличении (справа)
Рис. 5.
▲
▲
Схема локализованных растягивающих
напряжений в первичном покрытии, вызванных
под воздействием поперечного механического
усилия
Рис. 6.
▲
▲
Среднее нормальное напряжение в
слое первичного покрытия под воздействием
поперечного
механического
усилия,
рассчитанное методом конечных элементов
стойкости покрытия и вызвать когезионное
разрушение структуры покрытия. В
зависимости от источника напряжения
можно выделить два возможных типа
трехосных растягивающих напряжений
в покрытии. Напряжение может быть
температурным и вызываться изменением
температуры
или
обуславливаться
действием внешних механических сил.
2.1 Образование пустот под действием
температурных напряжений
2.1.1 Температурные напряжения в системе
с двухслойным покрытием
Хорошо известно, что температурные
напряжения присутствуют в системе
волокна с покрытием [2-5]. Создание
трехосного напряжения в первичном
покрытии,
как
показано
на
рис.
1,
обусловлено
несовпадением
коэффициентов теплового расширения
стекла,
первичного
и
вторичного
покрытий.
Исходя
из
основных
принципов
сопротивления
материалов,
можно
рассчитать
трехосное
напряжение,
которое складывается из радиального
напряжения σr, касательного напряжения
σθ и осевого напряжения σz. На рис. 2
представлено распределение расчетных
значений
напряжения
в
типичной
системе с двухслойным покрытием, где
толщина каждого слоя покрытия равна 30
мкм, модуль Юнга E1 = 1 МПа, E2 = 1
ГПа, коэффициенты линейного теплового
расширения α1 = 3 x 10-4/K, α2 = 1 x 10-4/K
и коэффициенты Пуассона ν1 = 0,5, ν2 = 0,4.
Температура системы снижается на 30 ºC
для моделирования напряжения в системе
покрытий, возникающего, когда волокно
с покрытием охлаждается с температуры
волочения до комнатной температуры.
Несмотря на то что температура покрытия
при УФ-отверждении может достигать 100
ºC, температурное напряжение начинает
увеличиваться только тогда, когда
температура падает ниже Tg вторичного
покрытия (~50 ºC).
Трисоставляющихнапряжениявпервичном
покрытии являются растягивающими и все
находятся на одном уровне, как показано
на рис. 2. Это означает, что напряжение
в первичном покрытии при комнатной
температуре является гидростатическим
растягивающим
напряжением.
Оно
повышается при дальнейшем понижении
температуры до значения температуры Tg
первичного покрытия (обычно ~-20 ºC),
при которой первичное покрытие также
переходит в стекловидное состояние.
Расчетное растягивающее напряжение
в первичном покрытии равняется ~0,8
МПа при комнатной температуре, как
показано на рис. 2. Из-за вязкоупругого
свойства вторичного покрытия реальный
уровень напряжения должен быть ниже
его расчетного значения и уменьшаться со
временем по мере того, как во вторичном
покрытии
происходит
релаксация
напряжения при температурах ниже Tg
[5]
.
Хотя для стандартных волокон с двойным
покрытием риск возникновения кавитации
покрытия при температурном напряжении
является
небольшим,
при
оценке
некоторых типов покрытий, обсуждаемых
ниже, следует проявлять осторожность.
Новая тенденция разработки первичных
покрытий включает в себя дальнейшее
уменьшение их модуля и Tg для улучшения
буферной защиты при микроизгибе в
широком диапазоне температур. В системе
покрытия этого типа растягивающее
напряжение продолжает нарастать, в то
время как температура начинает падать,
однако первичное покрытие остается в
резиноподобном состоянии. Как показано
на рис. 3, расчетное растягивающее
напряжение линейно возрастает при
уменьшении температуры. Релаксация
напряжения вторичного покрытия при
низких температурах также происходит
значительно медленнее. В дополнение
к
риску
высокого
температурного
напряжения, первичное покрытие с
более низким модулем может также
быть более склонно к кавитации из-за
меньшей плотности сшивания. По этой
причине очень важно, чтобы первичные
покрытия с низким модулем и низкой Tg
были тщательно разработаны и обладали
высокой кавитационной стойкостью
за счет оптимизации структуры сети
сшивок.
Всестороннее
понимание
природы
кавитационной
стойкости
УФ-отверждаемых материалов покрытий
на молекулярном уровне позволяет
разрабатывать
системы
покрытий,
сочетающих улучшенную защиту от
повреждений при микроизгибах и
высокую кавитационную стойкость, что
дает возможность обеспечить устойчивые
эксплуатационныехарактеристикиволокна
в широком диапазоне температур. Другим
примером ситуации с высоким риском
образования пустот является волокно с
более толстыми, чем обычно, слоями
покрытия. Растягивающее напряжение в
первичном слое волокна с упорядоченно-
неупорядоченной структурой и с толщиной
слоя «стекло-покрытие» 125, 350, 500
мкм рассчитано и отражено на графике,
представленном на рис. 3. Растягивающее
напряжение в первичном покрытии этого
волокна в 2,8 раза превышает уровень
напряжения в первичном покрытии
стандартного волокна с покрытием
Растягивающее
напряжение
Растягивающее
напряжение
(Температура °C)
Растягивающее напряжение в первичном
покрытии (MPa)
245 µm Волокно
500 µm Волокно