光纖,，你拉不斷
來源：光電讀書
作者：
2020-06-19
訪問量：4887
不少人問光纖是不是很容易斷,？一定會斷,，但是并不容易斷,。一方面玻璃強度其實很大的,，另外光纖還有外部的涂層材料保護,。今天聊一下玻璃的強度,。
-
玻璃纖維的強度被發(fā)現(xiàn)
-
光纖中有各種力的交織
-
光纖的瑕疵影響（有視頻“魯伯特之淚”）
幾千年來,，人類一直在利用玻璃的美麗與透明，同時承認它總是易碎的,。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,，這根玻璃細線長達27米，出乎意料的是這根玻璃線的強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,。
-
兆牛頓/平方米（MN/m2）,。這是一個國際單位制的單位。
-
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,。
-
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,，尾部細長（是很容易在冷卻的時候達到內(nèi)外的熱平衡，之后有機會再聊一聊“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，這增強了光纖的強度,。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,。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。
新聞
