Würde es zu Rissen auf der Glasoberfläche kommen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, wenn es zu stark gebogen wird?
Wenn Glasfasern zu stark gebogen werden, bilden sich auf der Oberfläche von Siliziumdioxid (\text{SiO}_2)-Quarzglas mikroskopisch kleine Risse (Mikrorisse), die für das bloße Auge nicht sichtbar sind, und vorhandene submikrometergroße Oberflächenfehler dehnen sich beschleunigt aus.
I. Physikalische Mechanismen und mechanische Analyse des Materials
1. Griffith-Fehler und Spannungskonzentration (Griffith Flaws & Stress Concentration)
Siliziumdioxid-Quarzglas gehört typischerweise zu den spröden Materialien. Auf mikroskopischer Ebene weist die Oberfläche einer gerade hergestellten Glasfaser winzige, submikrometergroße geometrische Defekte auf, die als Griffith-Fehler bezeichnet werden.
Solange die Faser gerade gehalten wird, befinden sich diese Mikrorisse in einem relativ stabilen Zustand; sobald die Faser jedoch gebogen wird, erfährt das Quarzglas an der Außenseite der Biegung eine erhebliche Zugspannung (Zugbelastung).
2. Berechnung der Biegezugspannung
Die maximale Zugspannung \sigma , die die äußere Oberfläche der Faser beim Biegen erfährt, kann mit Formeln der Elastizitätslehre abgeleitet werden:
\sigma = E \cdot \frac{d}{2R}
Hierbei ist:
- E der Elastizitätsmodul von Siliziumdioxidglas (ca. 72\text{ GPa} );
- d der Außendurchmesser des Glasmantels der Faser (Standard-Singlemode-Faser d = 125\ \mu\text{m} );
- R der Biegeradius.
Aus der Formel ist ersichtlich, dass mit abnehmendem Biegeradius R die Zugspannung \sigma an der äußeren Oberfläche des Glases umgekehrt proportional stark ansteigt.
3. Statische Ermüdung und Risswachstum (Static Fatigue & Crack Growth)
Wenn die durch die Biegung erzeugte Zugspannung auf die Spitze des Mikrorisses wirkt, entsteht eine extrem hohe Spannungskonzentration. Unter dem Einfluss von Wasserdampf (Wassermoleküle \text{H}_2\text{O}) in der Umgebungsluft kommt es zu einer Spannungsrisskorrosion (Stress Corrosion) der Siliziumdioxid-Bindungen ( \text{Si-O-Si} ) an der Spitze.
Dieser Prozess führt zu einem kontinuierlichen tiefenwachsenden Riss (statische Ermüdung). Sobald der Riss eine kritische Größe erreicht, bricht die Faser abrupt, ohne jegliche makroskopische Vorzeichen einer plastischen Verformung.
II. Technischer Schutz und Gehäuse-Lösungen
Um zu verhindern, dass nackte Glasfasern während des praktischen Einsatzes oder der Installation aufgrund von Biegespannungen Mikrorisse oder mechanische Brüche erleiden, werden im Ingenieurwesen typischerweise Metallrohre ohne Naht oder mikro-panzerte Strukturen verwendet. Diese begrenzen den minimalen Biegeradius der Faser und schirmen externe mechanische Spannungen ab.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) hat, um den Anforderungen an die Biegefestigkeit und den physikalischen Schutz von Faser Bragg Gratings (FBG)-Sensoren und Glasfaserkabeln gerecht zu werden, mehrere Produkte für Spannungsfestigkeit und Panzerung entwickelt:
1. FBG-Dehnungssensor in Legierungskapselung
Für Sensoranwendungen, die mechanischen Zug- und Biegebelastungen standhalten müssen, kann die interne Kapselung in einem Metallrohr lokale Biegespannungen wirksam isolieren:
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
2. Mikro-Stahlrohr gepanzerter Glasfaser-Patchkabel
Verwendet ein internes nahtloses 0,6\text{mm} starkes Edelstahlrohr als Biegeschutz-Ummantelung, um den Biegeradius der Faser zu begrenzen und direkte seitliche Drücke und Überlastbiegungen der nackten Faser zu verhindern:
OFSCN® 2.0mm Micro Steel Armored Fiber Optic Patch Cord
