La résistance mécanique des fibres optiques est-elle élevée ?

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On dirait un cheveu, mais peut-il soulever un seau d’eau ?

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Les fibres optiques ressemblent à des fils de cheveux (leur gaine de silice a généralement un diamètre de 125\ \mu\text{m}, et avec le revêtement, il ne fait que 150\ \mu\text{m} à 250\ \mu\text{m}). Peuvent-elles soulever un seau d’eau ?

Du point de vue de la physique optique et de la mécanique des matériaux : Dans des conditions théoriques et de laboratoire optimales, une fibre optique nue, intacte, pourrait à peine soulever un petit seau d’eau ; mais dans des conditions d’ingénierie réelles et de la vie quotidienne, elle ne peut pas soulever de manière fiable un seau d’eau et se casserait presque instantanément.

Voici les calculs scientifiques spécifiques et l’analyse des principes physiques :

I. Calcul des grandeurs physiques et analyse mécanique

Prenons une fibre optique monomode standard comme exemple pour les calculs mécaniques. Le poids d’un seau d’eau (standard de 10\ \text{kg}) est d’environ 100\ \text{N}, et celui d’un petit seau d’eau (standard de 5\ \text{kg}) est d’environ 50\ \text{N}.

1. État limite théorique (parfaitement sans défaut)

La résistance théorique à la traction du verre de silice (\text{SiO}_2) dans un état idéal sans défaut est extrêmement élevée, pouvant atteindre 10\ \text{GPa} voire plus de 14\ \text{GPa}.
Le diamètre de la gaine en verre d’une fibre optique standard D = 125\ \mu\text{m} (soit 0.125\ \text{mm}), la section transversale de la partie en verre A est d’environ :
A = \pi \times \left(\frac{D}{2}\right)^2 \approx 1.227 \times 10^{-8}\ \text{m}^2

Si, dans des conditions de protection optimales, la surface de la fibre optique ne présente aucune microfissure, et en considérant sa résistance à la traction à court terme \sigma de 5\ \text{GPa}, couramment observée en laboratoire, la force de rupture maximale théorique F_{\text{max}} est d’environ :
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}

La masse maximale d’objet suspendu correspondante est d’environ :
m_{\text{max}} \approx \frac{61.3\ \text{N}}{9.8\ \text{m/s}^2} \approx 6.25\ \text{kg}

Conclusion : Dans un état de laboratoire parfait (sans aucune usure, sans courbure, traction purement axiale), une fibre optique nue pourrait en effet soulever de justesse un petit seau d’eau (environ 5\ \text{kg}).

2. État d’ingénierie réel (microfissures et dégradation par fatigue)

Dans la fabrication et l’utilisation réelles, la surface de la fibre optique présente inévitablement des fissures microscopiques à l’échelle sub-micrométrique. De plus, l’humidité de l’air réagit avec les liaisons siloxane dans la silice, provoquant une corrosion sous contrainte (c’est-à-dire la fatigue statique), ce qui entraîne une forte diminution de la résistance de la fibre sous charge de traction au fil du temps.
Pour garantir la fiabilité mécanique dans les applications d’ingénierie, les fibres optiques commerciales doivent subir un « test de dépistage » (Proof Test) avant leur sortie d’usine. La contrainte de dépistage standard de l’industrie est généralement de 100\ \text{kpsi} (équivalant à environ 700\ \text{MPa} ou 0.7\ \text{GPa}).
La force de garantie de sécurité sous le test de dépistage n’est que de :
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}

La masse de suspension en toute sécurité correspondante n’est que de :
m_{\text{proof}} \approx \frac{8.6\ \text{N}}{9.8\ \text{m/s}^2} \approx 0.88\ \text{kg}

Conclusion : Dans les applications d’ingénierie réelles, la force de traction que peut garantir en toute sécurité une seule fibre optique nue ordinaire est inférieure à 1\ \text{kg}. Dans la vie de tous les jours, si l’on nouait directement une fibre optique nue pour suspendre un seau d’eau, la concentration de contraintes au niveau du nœud de courbure serait sévère, et elle s’étendrait instantanément au niveau des microfissures, provoquant une rupture immédiate de la fibre.

II. Comment résoudre la capacité de charge des fibres optiques dans l’ingénierie réelle ?

Pour que les fibres optiques puissent être utilisées dans des environnements d’ingénierie complexes nécessitant de grandes forces de traction (telles que l’aérospatiale, les puits de mine, la mesure de déformation sur de grands ponts, etc.), deux solutions sont généralement proposées : utiliser des fibres optiques sélectionnées à haute résistance, ou armer la fibre optique avec un tube en acier inoxydable et des torons d’acier.

1. Fibres optiques haute résistance et réseaux de Bragg

Si vous avez besoin à la fois de la finesse d’une fibre optique nue et de sa capacité à supporter des déformations et des charges de traction très élevées, vous pouvez utiliser des fibres optiques haute résistance :

2. Tube métallique et blindage en câble d’acier (forte capacité de charge)

Si une force de traction très élevée doit être directement supportée lors du câblage et de la mesure de force, la fibre optique est généralement placée à l’intérieur d’un tube en acier inoxydable sans soudure et d’un manchon de protection en torons d’acier :