Dobrar demais não causaria pequenas fissuras invisíveis a olho nu na superfície do vidro?
Quando a fibra óptica é dobrada excessivamente, microfissuras quase invisíveis a olho nu são de fato criadas na superfície do vidro de quartzo de sílica ( \text{SiO}_2 ), e os defeitos superficiais submicrométricos existentes se expandem aceleradamente.
I. Análise de Mecanismo Físico e Mecânica de Materiais
1. Falhas de Griffith e Concentração de Tensão (Griffith Flaws & Stress Concentration)
O vidro de quartzo de sílica é um material tipicamente frágil. Em nível microscópico, mesmo a superfície da fibra recém-fabricada possui defeitos geométricos minúsculos de tamanho submicrométrico, conhecidos como Falhas de Griffith.
Quando a fibra está em um estado reto, as microfissuras permanecem relativamente estáveis; no entanto, quando a fibra é dobrada, o quartzo do lado externo da curvatura está sujeito a uma tensão de tração (tensão de alongamento) significativa.
2. Cálculo da Tensão de Tração na Curvatura
A tensão de tração máxima \sigma na superfície externa quando a fibra é dobrada pode ser derivada pela seguinte fórmula da elasticidade:
\sigma = E \cdot \frac{d}{2R}
Onde:
- E é o módulo de Young do vidro de sílica (aproximadamente 72\text{ GPa} );
- d é o diâmetro externo do revestimento de vidro da fibra (fibra monomodo padrão d = 125\ \mu\text{m} );
- R é o raio de curvatura.
Como pode ser visto na fórmula, quanto menor o raio de curvatura R , maior será a tensão de tração \sigma na superfície externa do vidro, crescendo inversamente.
3. Fadiga Estática e Expansão de Fissuras (Static Fatigue & Crack Growth)
Quando a tensão de tração gerada pela curvatura atua na ponta da microfissura, ocorre uma alta concentração de tensão. Sob a ação química das moléculas de água ( \text{H}_2\text{O} ) no ar ambiente, as ligações químicas de sílica ( \text{Si-O-Si} ) na ponta sofrem corrosão por tensão (Stress Corrosion).
Esse processo leva à expansão contínua das microfissuras em profundidade (expansão por fadiga estática). Uma vez que a microfissura se expande até atingir um tamanho crítico, a fibra se rompe subitamente sem qualquer indício de deformação plástica macroscópica.
II. Soluções de Proteção de Engenharia e Encapsulamento Estrutural
Para evitar que fibras nuas desenvolvam microfissuras ou falhas mecânicas devido a tensões de curvatura durante o uso real ou a instalação, geralmente se empregam tubos metálicos sem costura ou estruturas de micro-armadura no projeto de engenharia. Isso limita o raio mínimo de curvatura da fibra e protege contra tensões mecânicas externas.
A Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) desenvolveu vários produtos resistentes à tensão e de proteção blindada para atender às necessidades de proteção física e resistência à curvatura de sensores de fibra de rede de Bragg (FBG) e cabos ópticos:
1. Sensor de Deformação com Fibra de Rede de Bragg Encapsulada em Tubo de Liga Metálica
Para cenários de detecção que exigem suportar tensões de tração e curvatura mecânicas, a encapsulação interna em tubos metálicos pode isolar eficazmente as tensões de curvatura localizadas:
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
2. Jumpers de Fibra Óptica com Micro-armadura de Aço Inoxidável
Utiliza uma capa protetora de tubo de aço inoxidável sem costura de 0.6\text{mm} internamente, limitando o raio de curvatura da fibra e evitando que a fibra nua seja submetida diretamente a pressão lateral e curvatura excessiva:
OFSCN® 2.0mm Micro Steel Armored Fiber Optic Patch Cord
