柔性石英毛细管：老化对强度的影响

        合成石英毛细管这种材料在多种应用中具有非常重要的作用。毛细管的寿命通常都具有一定的重要性，但是已经开展过的调查极其有限。本文讨论了最近在老化对抗拉强度影响方面的研究成果。
简介
柔性石英毛细管的一个最重要的属性就是超强的强度。在采用保护性耐磨涂层适宜处理并适当操作的情况下，认为该材料可以极好的保持强度。之前已经讨论过初始抗拉强度和适当操作的概念(1)。事先预期了石英玻璃随时间的退化，并且以疲劳测试的形式展示了在相关的光纤行业中对石英玻璃的机械可靠性所开展的大量研究(2)。然而，对于毛细管抗拉强度长期老化所产生的影响，几乎没有任何可用数据。最近，对具有 20 年历史的材料进行了测试。本文讨论了与最近生产的材料相比，老化的毛细管的抗拉强度测试结果。
实验
此次研究中的老化石英毛细管于 1988 年和 1989 年生产，存放于白色发泡聚苯乙烯卷轴中，轮毂直径为 8 英寸。尽管实际存储条件未受控制，本研究中所用的全部产品都存放在原装的密封聚合物包装中。仅考虑了在管材中对于外部环境采用气密密封的样品。最近生产的材料直接取自新生产的管材库存，在评估开始前方解除密封。抗拉强度测试在拉力试验机上进行，型号为英斯特朗 3344 型 (Instron, Norwood, MA)。
老化样品包含 3 种尺寸：0.10mm、0.32mm 和 0.53mm 内径毛细管 (Polymicro Technologies, Phoenix, AZ)。根据卷轴轮毂的直径，在老化过程中所施加的应力水平相应为 17 kpsi、21 kpsi 和 32 kpsi。为对照样品所使用的相应尺寸的材料存放在相同的 8 英寸卷轴中，而老化期从未超过 4 周。
结果
抗拉强度测试的数据一般以威伯尔图表的形式显示(3)。 所有此类图表的比较性显示结果超出此次沟通的范围。一种简便但又可提供有效信息的比较方法是总结平均抗拉强度。按产品内径所测试的所有样品的平均值显示在表 1 中。对于比较来说，其中包含比较样品的值。


表 1：平均抗拉强度比较 (kpsi)

从数据中可以明显看出，在 20 年的老化后，抗拉强度发生退化。但是，材料仍然保持了良好的强度，平均值高于 100 kpsi 的典型证明测试值。数据显示该毛细管可能仍可通过标准的证明测试方法，但是断裂比率可能上升。在根据这些研究结果来计算并比较典型的 6 英寸或 8 英寸气相骨架的毛细管的施加应力水平时，从强度的视角来看，可以合理的推断出该毛细管完全可以用于制造气相层析管。
结论
聚酰亚胺涂层的石英毛细管是一种强度极高的材料。通过适当的操作和存放，大多数产品都可实现极长的寿命。
参考资料
(1) J. Macomber, LCGC Application Notebook, June 2009, p. 5
(2) B. Skutnick, T. Wei, Fiber Optics Reliability: Benign and Adverse Environments, SPIE Vol. 842 (1987), p. 41
(3) “Mechanical Stress & Fiber Strength,” The Book on the Technologies of Polymicro, 2005, p. 2.17