EoW July 2008

Техническая статья

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. 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). Исходя из основных принципов сопротивления материалов, можно рассчитать трехосное

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

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)

Растягивающее напряжение

Растягивающее напряжение

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 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

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)

245 µm Волокно 500 µm Волокно

покрытии (MPa)

Растягивающее напряжение в первичном

(Температура °C)

74

EuroWire – июль 2008 г.