Ist die mechanische Festigkeit von Glasfasern hoch?

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Sieht aus wie ein Haar, aber kann sie einen Eimer Wasser heben?

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Die Glasfaser sieht aus wie ein Haar (ihr Siliziumdioxid-Manteldurchmesser beträgt normalerweise 125\ \mu\text{m} und mit Beschichtung nur 150\ \mu\text{m} bis 250\ \mu\text{m} ). Kann sie einen Eimer Wasser heben?

Aus der Perspektive der optischen Physik und Materialmechanik: Unter theoretischen und optimalen Laborbedingungen könnte eine intakte, nackte Glasfaser knapp einen kleinen Eimer Wasser heben; unter realen ingenieurtechnischen und alltäglichen Bedingungen kann sie einen Eimer Wasser nicht zuverlässig heben und würde fast sofort reißen.

Im Folgenden finden Sie spezifische wissenschaftliche Berechnungen und Analysen der physikalischen Prinzipien:

I. Berechnung physikalischer Größen und mechanische Analyse

Wir nehmen eine Standard-Singlemode-Glasfaser als Beispiel für die mechanische Berechnung. Das Gewicht eines Eimers Wasser (standardmäßig 10\ \text{kg}) beträgt etwa 100\ \text{N}, und das eines kleinen Eimers Wasser (standardmäßig 5\ \text{kg}) etwa 50\ \text{N}.

1. Theoretischer Grenzfall (perfekt und fehlerfrei)

Die theoretische Zugfestigkeit von Siliziumdioxid ( \text{SiO}_2 )-Glas im idealen, fehlerfreien Zustand ist extrem hoch und kann 10\ \text{GPa} oder sogar über 14\ \text{GPa} erreichen.
Der Durchmesser des Glasmantels einer Standard-Glasfaser D = 125\ \mu\text{m} (d. h. 0.125\ \text{mm} ) beträgt, die Querschnittsfläche des Glasanteils A ist ungefähr:
A = \pi \times \left(\frac{D}{2}\right)^2 \approx 1.227 \times 10^{-8}\ \text{m}^2

Wenn die Glasfaseroberfläche unter optimalem Schutz frei von Mikrorissen ist und die kurzzeitige Zugfestigkeit \sigma mit den üblicherweise im Labor gemessenen 5\ \text{GPa} berechnet wird, beträgt die theoretische maximale Bruchlast F_{\text{max}} ungefähr:
F_{\text{max}} = \sigma \times A \approx 5 \times 10^9\ \text{Pa} \times 1.227 \times 10^{-8}\ \text{m}^2 \approx 61.3\ \text{N}

Die entsprechende maximal aufhängbare Masse beträgt ungefähr:
m_{\text{max}} \approx \frac{61.3\ \text{N}}{9.8\ \text{m/s}^2} \approx 6.25\ \text{kg}

Schlussfolgerung: Im perfekten Laborzustand (ohne Abrieb, ohne Biegung, reine axiale Dehnung) kann eine nackte Glasfaser tatsächlich knapp einen kleinen Eimer (ca. 5\ \text{kg}) Wasser heben.

2. Praktischer Ingenieurzustand (Mikrorisse und Ermüdungsdegradation)

Bei der tatsächlichen Herstellung und Verwendung weist die Glasfaseroberfläche zwangsläufig submikrometergroße Mikrorisse auf. Darüber hinaus reagiert Feuchtigkeit in der Luft mit Silizium-Sauerstoff-Bindungen im Siliziumdioxid und führt zu Spannungsrisskorrosion (d. h. statische Ermüdung), wodurch die Festigkeit der Glasfaser unter Zuglast mit der Zeit erheblich abnimmt.
Um die mechanische Zuverlässigkeit im Ingenieurwesen zu gewährleisten, müssen kommerzielle Glasfasern vor der Auslieferung einem „Proof-Test“ (Screening-Test) unterzogen werden. Die branchenübliche Prüfspannung beträgt im Allgemeinen 100\ \text{kpsi} (entspricht etwa 700\ \text{MPa} oder 0.7\ \text{GPa}).
Die sicherheitsgarantierte Zugkraft nach dem Prüf-Screening beträgt nur:
F_{\text{proof}} = \sigma_{\text{proof}} \times A \approx 700 \times 10^6\ \text{Pa} \times 1.227 \times 10^{-8}\ \text{m}^2 \approx 8.6\ \text{N}

Die entsprechend sicher aufhängbare Masse beträgt nur:
m_{\text{proof}} \approx \frac{8.6\ \text{N}}{9.8\ \text{m/s}^2} \approx 0.88\ \text{kg}

Schlussfolgerung: Im praktischen Ingenieurwesen liegt die absolut sichere Zugkraft einer einzelnen normalen nackten Glasfaser unter 1\ \text{kg}. Im täglichen Leben würde das direkte Verknoten einer nackten Glasfaser zum Aufhängen eines Eimers Wasser zu einer erheblichen Spannungskonzentration an der Biegestelle führen, die sich an den Mikrorissen sofort ausbreitet und die Glasfaser sofort brechen lässt.

II. Wie kann die Tragfähigkeit von Glasfasern in der Praxis gelöst werden?

Um Glasfasern in komplexen Ingenieuranwendungen einzusetzen, die hohe Zugkräfte erfordern (z. B. Raumfahrt, Tiefbohrungen, Dehnungsmessungen an großen Brücken usw.), gibt es normalerweise zwei Lösungen: Verwendung von geprüften Hochleistungs-Glasfasern oder Panzerungsschutz mit Edelstahlrohren und Stahldrähten.

1. Hochleistungs-Glasfasern und Faser-Bragg-Gitter

Wenn sowohl die Feinheit einer nackten Glasfaser als auch die Fähigkeit, extremen Dehnungen und Zuglasten standzuhalten, erforderlich sind, können Hochleistungs-Glasfasern verwendet werden:

2. Panzerungsschutz mit Metallrohr und Stahlseil (hohe Zuglast)

Wenn beim Verlegen und Messen direkt sehr hohe Zuglasten aufgenommen werden müssen, wird die Glasfaser typischerweise in ein nahtloses Edelstahlrohr und eine Stahlseil-Schutzhülle eingelegt: