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摘要：弯曲不敏感光纤因其优异的宏弯性能得到广泛应用。而光纤在设计的最小弯曲条件下长期使用会影响光纤的机械可靠性，导致失效概率增加。影响光纤的长期机械可靠性的关键因素，例如应力腐蚀敏感性参数——n，成为了最近比较热门的话题。光纤行业相关产品标准中通常是用动态应力腐蚀敏感性参数（即动态疲劳参数）nd值来表述n值。本文讨论了在实际的光纤动态疲劳测试过程中，影响光纤动态疲劳参数nd测试值的一些因素和改进方法，供各位同行参考。
关键词： 弯曲不敏感；动态疲劳参数；传输性能；机械强度；轴向张力法；两点弯曲法
一、概述
弯曲不敏感光纤的出现使得光纤的应用空间迅速扩大。该光纤的主要优点集中在光纤的光学性能上——通过设计合适的折射率剖面就能满足光纤在很小的曲率半径下仍能保持优越的传输性能。然而，光学性能只是解决设计弯曲不敏感光纤的传输性能，我们还必须仔细审核在如此之小的曲率半径下光纤有足够的机械可靠性，能确保其在设计寿命期间经受住弯曲应力的考验。考虑到光纤本身固有的缺陷限制，这一点显得尤其重要——对于长期曝露在设计曲率半径下的光纤，其所承受的弯曲应力会超过光纤的筛选测试值。
有多种参数用来估计承受弯曲应力情况下光纤的长期可靠性。光纤的非本征强度分布是其中重要的一种参数，它是用来表述给定弯曲半径并包含高危缺陷的统计概率。筛选断纤率和光纤的非本征Weibull斜率通常是用来描述光纤的非本征强度分布最典型的方法。应力腐蚀敏感性参数n，则是另一种重要的参数。n值描述的是光纤抗疲劳的能力。n值越高用于抵抗由于抗张强度导致的缺陷增长的能力就越强。光纤行业的产品规格中通常是用动态应力腐蚀敏感性参数（即动态疲劳参数）nd值来表述n值。本文尝试着从试验的角度出发，探讨在实际的光纤动态疲劳测试过程中，影响光纤动态疲劳参数nd值的一些因素和改进方法。
二、现有的测试比较
迄今为止，用于光纤动态疲劳参数测试的国际标准主要有国际电工委员会的IEC 60793-1-33-2001和美国电信工业协会的TIA-455-FOTP 28C（R2005）；国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）并没有规定光纤动态疲劳参数测试方法的标准；国标于2008年进行了更新，光纤动态疲劳参数测试方法的国家标准是GB/T 15972.33-2008。表1列出了上述三种测试标准方法之间的主要区别。表1 几种标准的测试方法
测试方法 | IEC 60793-1-33 | GB/T 15972.33-2008 | FOTP-28 | 轴向张力 | 两点弯曲 | 轴向张力 | 两点弯曲 | 轴向张力 | 样品长度 | 0.5m～5m | 30mm～120mm | 0.5m～5m | 30mm～120mm | 0.5m | 样品缠绕所
受弯曲应力 | ≤175MPa | | ≤175MPa | | ≤0.175GPa | 样本数 | 至少15×4组 | 至少15×4组 | 至少15×4组 | 至少15×4组 | 至少15×4组 | 夹具尺寸 | Ф≥50mm | | Ф≥50mm | | Ф≥50mm | 温度 | （20℃～23℃）±2℃ | （20℃～23℃）±2℃ | 23℃±2℃ | 相对湿度 | (40%～60%)±5% | (40%～60%)±5% | 50%±5% | 未老化样品
预处理时间 | 在试验环境中至少
预处理12hrs | 在试验环境中至少
预处理12hrs | 在试验环境中至少
预处理24～48hrs | 已老化样品
预处理时间 |
规定光纤动态疲劳参数nd值范围的国际标准分别为国际电工委员会的IEC 60793-2-50 2008、Telcordia的GR-20-CORE 2008，国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）并没有规定光纤动态疲劳参数即nd值范围；国标GB/T 9771.1～6 2008中对老化前后的光纤动态疲劳参数值有具体的规定。其中IEC和Telcordia均要求未经老化以及湿热老化后的光纤nd值≥18，而国标GB/T 9771.1～6 2008中则要求老化前后的光纤动态疲劳参数nd值≥20，具体参见下表2。表2 国内外标准对nd规定
标准 | IEC 60793-2-50 2008 | 样品类型 | 未老化光纤 | 湿热老化光纤 | 标准值 | ≥18 | 标准 | GB/T 9771.1～6 2008 | 样品类型 | 未老化光纤 | 湿热老化光纤 | 标准值 | ≥20 | 标准 | GR-20-CORE 2008 | 样品类型 | 未老化光纤 | 湿热老化光纤 | 标准值 | ≥18 |
三、光纤动态疲劳参数测试的影响因素
1、样品的预处理时间
表1中对样品的预处理时间作了规定，IEC以及国标要求的预处理时间至少12小时，而FOTP-28C中规定的预处理时间则为至少24～48小时。与10～15年前拉制出的光纤相比，现在或一年前拉制出的光纤质量则更好，预计其检验不合格的情况更少，因此我们采用了最近拉制的两种商用涂覆光纤制作样品，并一直储存在典型的实验室条件下。样品处理的时间分别为1天、3天、7天、1个月、2个月、3个月、4个月、5个月、6个月，然后分别取出用轴向张力法测试光纤动态疲劳参数，我们发现两种商用涂覆光纤的预处理半年以后nd值会比预处理24小时的值升高大约1.7左右（图1）。该nd的增加趋势和文献中记录的美国康宁公司以及日本藤仓公司的实验数据是一致的。说明光纤在预处理放置过程中，其性能会发生一定的变化。因此，在进行光纤动态疲劳试验时，选择合适的样品预处理时间是很有必要的。
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图1 样品处置时间对nd影响
2、测试设备的影响
根据IEC标准，轴向张力法是将若干光纤分别以一定的速率轴向拉断，测试光纤断裂瞬间的断裂应力，然后进行统计计算出nd值；两点弯曲法是将光纤加载在两个平板之间，两个平板以一定的速率进行相向运动，运行到光纤受到弯曲应力断裂后记录断裂时平板间距来计算光纤断裂时所受的应力值，然后统计计算出nd值。
由上述测试原理可知，轴向张力法测试时，光纤需要缠绕在一定直径的轮轴上，其必然会导致弯曲应力的产生。因此，TIA、IEC和国标中均规定轮轴的直径不得小于50mm，弯曲应力不应超过175MPa；而两点弯曲法中则没有类似规定。最近，韩龙等人发表的文章表明，轴向张力法使用轮轴的直径为100mm时，比轮轴的直径为80mm测试所得的nd值结果要好。
尽管如此，我们在使用轴向张力法测试nd值时发现：如果轮子的表面比较光滑的话，在实际测试过程中，尤其是低应变速率阶段容易引起光纤在拉伸测试时打滑（见图2），这样会导致Vf减小，而光纤的断裂强度是不变的，从而导致测试的nd值偏低。我们尝试在轮轴的表面涂上有机硅烷处理，增加轮子和光纤的相对摩擦力，并保持表面足够的硬度，这样得到的测试曲线光滑笔直，从而保证了测试的准确性。
图2 轴向张力法测试打滑时的曲线
3、测试方法的影响
用于动态应力腐蚀敏感性参数测试的工业标准测试方法是IEC 60793-1-33-2001。标准规定了两种用来确定
nd值的测试方法——轴向张力法（方法A）和两点弯曲法（方法B）。其中轴向张力法是基准测试法。
基准测试法——轴向张力法最吸引人的地方莫过于其显而易见的简单。典型长度为0.5m的光纤紧固在卷轴或类似的控制装置上，对其施加一恒定的应变速率直至断裂发生。实际上，该方法的实施和工业化是非常具有挑战性的。必须通过细致的系统设计和材料选择才能消除光纤与卷轴连接不紧密（打滑）以及其它多种失效机制包括光纤内外涂层的分离或滑移（涂层鼓包）、光纤在夹具上断裂等的影响。为了确保得到精确的断裂强度值就必须避免光纤在卷轴上的打滑。由于在低应变速率情况下从试验开始直至光纤断裂需要的时间比较长，想要避免光纤打滑就变得特别重要。测试过程中的打滑以及不易察觉到的光纤在夹具上断裂等对最终测试获得的nd值具有显著的影响。如果不消除上述失效机制的话，用于确定nd值的数据中会存在很高的方差，由此计算得出的标准偏差（SEE）会过大，从而导致试验失效；而为了得到合理的nd值就需要追加测试，使得试验效率低下。轴向张力法的优势更多的是体现在长标距（10m或者是20m）拉伸测试过程中能很容易的发现光纤的强度或者是涂层问题。换句话说，相对于轴向张力法，用两点弯曲法测试动态应力腐蚀敏感性参数要更简单一些。现有的两点弯曲法商用设备操作简单，能确定测试时使用的压板速率下对应的预负荷强度水平并且在疲劳测试开始之前允许修改预负荷值。这种方法能避免光纤打滑以及光纤在夹具上断裂的情况出现。不过，由于测试长度被限制在几个毫米，在两点弯曲法测试的过程中就很难发现光纤本身的强度问题。
由于使用轴向张力法测试动态应力腐蚀敏感性参数时存在上述问题，最近的文献中开始更多的引用两点弯曲法。这些问题包括标准偏差的评估以及在测试过程中的涂层变形等。与以往的涂料体系相比，现在的涂料体系特别是内涂层模量更低的涂料体系在使用轴向张力法时更容易出现上述问题。因此，在评估
nd值时，人们更多的是使用两点弯曲法来避免上述问题。由于轴向张力法是基准测试法，当标准偏差（SEE）相一致的情况下，如何理解两种方法的数值结果就变得很重要了。
为了比较轴向张力法和两点弯曲法测试获得的nd值，美国康宁公司的Jeffrey J. Englebert等人进行了正规的试验。20个光纤样品，代表七种不同的玻璃/涂层的组合采用轴向张力法和两点弯曲法进行动态应力腐蚀敏感性参数测试。所有光纤样品均在相同的环境控制区域进行为期三个月的测试。所有的测试程序以及测试条件均采用IEC标准。试验结果见图3。结果显示两点弯曲法测得的nd值自始至终均高于轴向张力法。用于评估的每一组玻璃/涂层组合都是相对一致的，20个样本的平均差值为大约2个单位。单一玻璃/涂层组合nd值差高达6个单位。
图3 轴向张力法和两点弯曲法nd值
图中数字相同的是指同一种玻璃/涂层组合的光纤样品。单个样本差的范围为0.5～6个单位。
Englebert等人所用的试验样品相似，并且均在相同的环境控制区域进行，可以认为测试所得的动态应力腐蚀敏感性参数应该是基本不变的。试验的结果也反映了标准IEC 60793-1-33-2001中4.2节的注释：“用各种疲劳试验方法得到的应力腐蚀敏感性参数n值可能不同。测量时间和施加的应力量对测试结果均有影响，在选择试验方法时必须小心，选择何种方法应在用户和制造厂之间达成一致。”
nd测试值的显著差异意味着通过轴向张力法建立产品规范和寿命模型时需要采用更保守的值。因此，现行国标中要求老化前后的光纤动态疲劳参数nd值≥20，远远高于IEC和Telcordia中要求的老化前后光纤动态疲劳参数nd值≥18的规定，其合理性有待商榷。鲜明的分歧也表明为了促使不同测试方法之间趋向一致而修订工业化光纤产品规格nd值的一个必要前提是要与工业化测试方法相对应。
我们可以通过图4和图5发现轴向张力法和两点弯曲法之间的差异。内涂层模量较低的光纤样品通过轴向张力法测试显示出强度下降比两点弯曲法要严重，并且两种测试方法的标准偏差也不相符。这个试验的目的是评估并确定是否两点弯曲法也会捕捉低强度点以及产生高的标准偏差。令人意外的是，相对于轴向张力法，两点弯曲法取得了令人满意的nd值，标准偏差值虽然也偏大，但是比轴向张力法的标准偏差要小得多。采用轴向张力法在强度测试期间需要的样品长度至少为15米，而在疲劳测试期间需要的样品长度至少为30米。因此，捕获低强度点的几率比较高。相比之下，两点弯曲法需要的总长度只有大约6米，每一组应变速率下的每一次测试只需要几毫米光纤。为了确保不会在无意中忽视潜在的问题，满意的结果应该是通过轴向张力法结合两点弯曲法一并使用获得。这在评价新的光纤/涂层系统的组合时尤其重要，任何涂层/玻璃的相互作用对长期可靠性的影响，可以首先通过轴向张力法来确定。评价新的光纤/涂层系统的组合时通常推荐使用长标距测试。
图4 轴向张力法测试低内涂模量光纤样品的nd值结果。
由于低应变速率区域的值比较分散造成nd值仅为11.4，不符合标准。较高的标准偏差值意味着需要追加更多的样品进行测试。 ![]()
图5 两点弯曲法测试低内涂模量光纤样品的nd值结果。 与轴向张力法相似的是试验结果的标准偏差也较高。
此外，我国用于光纤动态疲劳参数测试的国家标准是GB/T 15972.33-2008，其中也规定了光纤动态疲劳参数测试的基准测试法为轴向张力法，值得注意的是在附录B（两点弯曲法测试nd值）中的B.1概述中有这样一句话：对于使用中光纤应力起因于弯曲的情况，应优先采用本试验方法。这也就意味着试验方法的采用要结合光纤的实际应用状态。最典型的例子就是——在评估弯曲不敏感光纤的动态疲劳参数时，因优先采用两点弯曲法，而不是轴向张力法。 四、结论
光纤动态疲劳参数nd的测试并不简单，影响nd测试的因素很多，其中样品的预处理时间不容忽视。试验结果表明：当采用轴向张力法时，两种商用涂覆体系的光纤样品预处理半年以后nd值会比预处理24小时的值升高大约1.7左右。光纤在预处理放置过程中，其性能持续在发生变化。因此，在进行光纤动态疲劳试验时，选择合适的样品制备时间是很有必要的。
此外，当采用轴向张力法时，为了确保得到精确的断裂强度值，避免各种失效机制对试验结果的影响，合适的轮轴直径以及细致的系统设计和材料选择是非常有必要的。
目前的工业标准中用于应力腐蚀敏感性参数测试的方法有两种——轴向张力法和两点弯曲法，两种方法都能为工业和贸易提供可靠的nd值。但是，当同一光纤样品同时采用这两种方法测试nd值时，使用两点弯曲法获得的nd值均值要比轴向张力法高大约两个单位。优秀的标准偏差值可以用来确保测试所得的nd值是真实可靠的。但是，即使标准偏差值在标准规定的范围之内，对于实际结果仍然需要严密的检验其可信性。为了确保不会在无意中忽视光纤本身存在的问题，满意的结果应该是通过基准测试方法轴向张力法结合两点弯曲法一并使用获得。尤其是在评价新的光纤/涂层系统的组合时，这很重要。
国标GB/T 15972.33-2008附录B（两点弯曲法测试nd值）中的B.1概述规定：对于使用中光纤应力起因于弯曲的情况，应优先采用本试验方法。意味着试验方法的采用要结合光纤的实际应用状态。
参考文献
[1]IEC 60793-1-33 2001
[2] IEC 60793-2-50 2008
[3] TIA-455-28C(R2005)
[4] GR-20-CORE Issue 3, May 2008
[5] GB/T 15972.33-2008
[6] GB/T 9771.1～6-2008
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发表于 2017-11-15 15:16:08
