超音波ナノフラクトグラフィによる光ファイバの先在微小欠陥の成長計測

前年度の計測結果に基づき,本年度は先在微小欠陥の成長モデルおよび光ファイバの寿命予測の方法について検討した。なお,初期強度が既知であるファイバの寿命予測を対象としている。無損傷光ファイバの先在欠陥は,石英ガラス表面上の粗さのようなもので,その形状や大きさは無数に分布する。本研究では,このような初期欠陥の多様性を考慮した静疲労モデルを構築した。本モデルでは初期欠陥を大きさ・形状が互いに異なる種々の半だ円体欠陥(ピット状欠陥)で表した。また,一定負荷のもとでの欠陥成長を支配する連立微分方程式を導いた。なお,そこでは従来のモデルにおいて無視されていた腐食に関する活性化エネルギーの表面曲率依存を考慮し,さらに成長に伴う形状変化を考慮した。以上のモデルにより,まず欠陥が単独で存在する場合の寿命を予測した。初期欠陥の形状や大きさを種々変化させた結果,次のことが明らかとなった。半だ円体欠陥の特別な場合である二次元状だ円欠陥のときが,最も厳しい場合となる(破断時間が小さくなる)。また,ファイバの初期強度と石英ガラスの理論強度によって初期欠陥分布の中の最大応力集中源の形状(半だ円のアスペクト比)が定まるが,同最大応力集中源のなかで,ある特定の大きさを有する場合に,ファイバの寿命が最小となる。すなわち,無数に分布する初期欠陥のなかで,上記特定寸法の欠陥がファイバの寿命を支配する。これらの結果を総合し,ファイバの寿命を支配する特定寸法の初期欠陥に注目した無損傷光ファイバの寿命予測法を提案した。

前年度の計測結果に基づき,本年度は先在微小欠陥の成長モデルおよび光ファイバの寿命予測の方法について検討した。なお,初期強度が既知であるファイバの寿命予測を対象としている。無損傷光ファイバの先在欠陥は,石英ガラス表面上の粗さのようなもので,その形状や大きさは無数に分布する。本研究では,このような初期欠陥の多様性を考慮した静疲労モデルを構築した。本モデルでは初期欠陥を大きさ・形状が互いに異なる種々の半だ円体欠陥(ピット状欠陥)で表した。また,一定負荷のもとでの欠陥成長を支配する連立微分方程式を導いた。なお,そこでは従来のモデルにおいて無視されていた腐食に関する活性化エネルギーの表面曲率依存を考慮し,さらに成長に伴う形状変化を考慮した。以上のモデルにより,まず欠陥が単独で存在する場合の寿命を予測した。初期欠陥の形状や大きさを種々変化させた結果,次のことが明らかとなった。半だ円体欠陥の特別な場合である二次元状だ円欠陥のときが,最も厳しい場合となる(破断時間が小さくなる)。また,ファイバの初期強度と石英ガラスの理論強度によって初期欠陥分布の中の最大応力集中源の形状(半だ円のアスペクト比)が定まるが,同最大応力集中源のなかで,ある特定の大きさを有する場合に,ファイバの寿命が最小となる。すなわち,無数に分布する初期欠陥のなかで,上記特定寸法の欠陥がファイバの寿命を支配する。これらの結果を総合し,ファイバの寿命を支配する特定寸法の初期欠陥に注目した無損傷光ファイバの寿命予測法を提案した。