光纖，你拉不斷
來源：光電讀書
作者：
2020-06-19
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不少人問光纖是不是很容易斷？一定會斷，但是并不容易斷。一方面玻璃強(qiáng)度其實很大的，另外光纖還有外部的涂層材料保護(hù)。今天聊一下玻璃的強(qiáng)度。
玻璃纖維的強(qiáng)度被發(fā)現(xiàn)幾千年來，人類一直在利用玻璃的美麗與透明，同時承認(rèn)它總是易碎的。但是1887年，英國科學(xué)家波伊斯（Sir Charles Vernon Boys）建造了一座石弩，隨后又將燒熔的玻璃棒綁在箭矢上，粘附于石弩。把弩箭射出去的同時拉出一根纖細(xì)的玻璃絲。
波伊斯的目的是使用玻璃絲作為扭力彈簧，這是他的精密儀器的一部分，后來波伊斯精準(zhǔn)測量出萬有引力常數(shù)G，優(yōu)化了卡文迪許早期測試結(jié)果。
本來就想做根針，但是波伊斯卻做出來一根線，這根玻璃細(xì)線長達(dá)27米，出乎意料的是這根玻璃線的強(qiáng)度絲毫不遜色與同等規(guī)格的鋼絲。石弓實驗讓脆弱的玻璃的故事出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)，為這種材料之后的廣泛用途打開了大門（我們可以利用玻璃的強(qiáng)度）。應(yīng)力（stress）：無論是塊狀玻璃，還是玻璃纖維，應(yīng)力總是存在。在連續(xù)體力學(xué)中，應(yīng)力是一種物理量，表示連續(xù)材料的相鄰粒子彼此施加的內(nèi)力。舉個例子，豎直放置的錘子，當(dāng)實心的垂直桿支撐著頭頂重量時，桿中的每個顆粒都會推到其正下方的顆粒上。液體一樣，當(dāng)液體在壓力下處于密閉容器中時，每個粒子都會被所有周圍的粒子推壓。這些宏觀力實際上是大量分子間力的碰撞的最終結(jié)果。力單位是什么？應(yīng)力是任意單位的力除以任意單位的橫截面積，這樣有個麻煩，應(yīng)力的單位不太容易統(tǒng)一，需要換算。
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兆牛頓/平方米（MN/m2）。這是一個國際單位制的單位。
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1.0牛頓=0.102千克力=0.225磅力（差不多相當(dāng)于一個蘋果的重量）。1兆牛頓=100萬牛頓，約等于100噸力。
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磅（pound）/平方英寸（square inch）（PSI）。這是一個傳統(tǒng)的英制單位，仍被工程師廣泛使用。
應(yīng)變（deformation）是描述材料形變的量度。對于遵循胡克定律的材料，斜率（應(yīng)力與應(yīng)變之比）為定值。楊氏模量：有時也被稱為“彈性模量”（Elastic modulus），記作E，在平常的技術(shù)交流中它往往會被說成是“剛度”玻璃能承受的力非常大，“魯伯特之淚” （Prince Rupert's Drop）是一個很有趣的例子。一塊玻璃快速冷卻而形成的水滴狀玻璃。有一個非常強(qiáng)堅硬的頭，但是尾部是薄弱點。
魯伯特之淚是通過熱脹冷縮引入了應(yīng)力，這個應(yīng)力類似拱橋結(jié)構(gòu)（比如趙州橋）提供的力，這個應(yīng)力展示出玻璃堅硬的一面，能很好的抵御外部力量。因此現(xiàn)代人們用玻璃做防彈、玻璃棧道，汽車擋風(fēng)板… “魯伯特之淚”玻璃塊的尾巴是薄弱點，較容易夾碎。這也是玻璃的“脆弱”。魯伯特之淚的尾巴部位是薄弱點，尾部細(xì)長（是很容易在冷卻的時候達(dá)到內(nèi)外的熱平衡，之后有機(jī)會再聊一聊“魯伯特之淚”的制造原理）就不存在剛才說的“拱橋”一樣的應(yīng)力了。就很容易在這個位置破壞玻璃的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)。一旦應(yīng)力分布有缺口，強(qiáng)度必然減弱。生活中很多地方利用了材料的瑕疵帶來了一定的方便。比如（1）撕紙的時候要先裁一個小口；（2）郵票會通過打孔，便于撕開；（3）密封包裝上會留一個小縫，這樣便于打開。
光纖中如果存在瑕疵，其實是一個道理，瑕疵點都是薄弱點。造成瑕疵的原因也比較多，有些是工藝過程中光纖外部受損，有些是材料中存在雜質(zhì)，也有冷卻過程中的不均勻.... 瑕疵改變了纖維的應(yīng)力曲線，光纖強(qiáng)度就差了（其實光學(xué)性能也差了，引入了衰耗）。所以光纖生產(chǎn)需要比較苛刻的潔凈環(huán)境；光纖生產(chǎn)之后，也一定要經(jīng)過拉力篩選。用過保偏光纖的朋友有經(jīng)驗，切割或者端面磨拋時候容易開裂。玻璃光纖本身需要有一定的應(yīng)力，這增強(qiáng)了光纖的強(qiáng)度。但是類似保偏光纖應(yīng)力區(qū)這個特殊位置，磨拋和切割，是在創(chuàng)造“瑕疵點”，所以非常容易開裂（甚至炸裂）。摻雜濃度高，加之拉絲時候冷卻速度較快的光纖切割就更是難題了。塊狀玻璃的炸裂平時生活中就有經(jīng)驗，像玻璃窗的炸裂這類情況還是比較常見。回到開頭的問題，如果問光纖是不是容易斷？除了玻璃本身較強(qiáng)的應(yīng)力，一般光纖使用時候，還有外部的高分子材料涂覆層保護(hù)。高分子涂覆層有一定的光學(xué)作用，另外也避免在使用光纖時候，不小心的觸碰對玻璃表面造成不必要的瑕疵。光纖的機(jī)械性能非常重要，但是我們利用光纖，更重要的還是光纖的光學(xué)性能。有些玻璃材料的機(jī)械性能并不好（比如硫系玻璃、重金屬氧化物玻璃），但是由于在紅外波長段的優(yōu)秀光學(xué)表現(xiàn)，超高的非線性系數(shù)，也易于實現(xiàn)稀土摻雜等等的特點，也有很多特殊場景一定需要使用。工程應(yīng)用需要根據(jù)目的平衡優(yōu)劣勢。
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