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光纖,你拉不斷
來源:光電讀書 作者: 2020-06-19 訪問量:3427
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)

  • 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”)

 
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),。
 
光纖的這幾個機(jī)械力的概念
 
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”

瑕疵造成應(yīng)力線不均勻
 
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。

小結(jié)
 
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,。