Высокая ли механическая прочность оптоволокна?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Сможет ли он поднять ведро воды, если выглядит как волосок?

2

Волокно выглядит как волос (обычно диаметр его кремнеземной оболочки составляет 125\ \mu\text{m}, а с покрытием — всего 150–250\ \ \mu\text{m} ), может ли оно поднять ведро воды?

С точки зрения оптической физики и механики материалов: теоретически и в идеальных лабораторных условиях неповрежденное голое оптическое волокно может с трудом выдержать небольшой вес ведра воды; однако в реальных инженерных и бытовых условиях оно не сможет надежно поднять ведро воды и почти мгновенно порвется.

Ниже приведены конкретные расчеты и анализ физических принципов:

I. Расчет физических величин и анализ механики

Для механического расчета возьмем стандартное одномодовое оптическое волокно. Вес ведра воды (стандартный вес 10\ \text{кг}) составляет около 100\ \text{Н}, а вес небольшого ведра воды (стандартный вес 5\ \text{кг}) — около 50\ \text{Н}.

1. Теоретическое предельное состояние (идеальное, без дефектов)

Теоретическая прочность на растяжение диоксида кремния ( \text{SiO}_2 ) в идеальном состоянии без дефектов чрезвычайно высока и может достигать 10\ \text{ГПа} и даже более 14\ \text{ГПа}.
Диаметр стеклянной оболочки стандартного оптического волокна D = 125\ \mu\text{m} (то есть 0,125\ \text{мм}), площадь поперечного сечения стеклянной части A составляет примерно:
A = \pi \times \left(\frac{D}{2}\right)^2 \approx 1,227 \times 10^{-8}\ \text{м}^2

Если в условиях превосходной защиты на поверхности волокна нет микротрещин, то его кратковременная прочность на растяжение \sigma, рассчитанная по общепринятому в лабораториях значению 5\ \text{ГПа}, теоретическая максимальная сила разрыва F_{\text{max}} составит примерно:
F_{\text{max}} = \sigma \times A \approx 5 \times 10^9\ \text{Па} \times 1,227 \times 10^{-8}\ \text{м}^2 \approx 61,3\ \text{Н}

Соответствующая максимальная масса подвешиваемого груза составит примерно:
m_{\text{max}} \approx \frac{61,3\ \text{Н}}{9,8\ \text{м/с}^2} \approx 6,25\ \text{кг}

Вывод: В идеальных лабораторных условиях (без износа, изгибов, чисто осевое растяжение) голое оптическое волокно действительно может с трудом поднять небольшой вес ведра (около 5\ \text{кг}) воды.

2. Реальное инженерное состояние (микротрещины и усталостное разрушение)

В процессе реального производства и использования на поверхности оптического волокна неизбежно возникают субмикронные микротрещины. Кроме того, влага из воздуха реагирует с силоксановыми связями в диоксиде кремния, вызывая коррозию под напряжением (статическую усталость), что приводит к значительному снижению прочности волокна со временем под нагрузкой.
Для обеспечения механической надежности в инженерных расчетах коммерческие оптические волокна перед выпуском проходят «тест на прочность» (Proof Test). Стандартное отраслевое напряжение при таком тестировании обычно составляет 100\ \text{кПа} (около 700\ \text{МПа} или 0,7\ \text{ГПа}).
Безопасная гарантированная сила натяжения, обеспечиваемая тестированием на прочность, составляет всего:
F_{\text{proof}} = \sigma_{\text{proof}} \times A \approx 700 \times 10^6\ \text{Па} \times 1,227 \times 10^{-8}\ \text{м}^2 \approx 8,6\ \text{Н}

Соответствующая безопасная масса подвешивания составляет всего:
m_{\text{proof}} \approx \frac{8,6\ \text{Н}}{9,8\ \text{м/с}^2} \approx 0,88\ \text{кг}

Вывод: В реальной инженерной практике допустимая безопасная нагрузка на одно голое оптическое волокно составляет менее 1\ \text{кг}. В повседневной жизни, если напрямую использовать голое оптическое волокно для завязывания узла и подвешивания ведра воды, в месте изгиба и завязывания узла возникнет сильная концентрация напряжений, которая приведет к мгновенному распространению микротрещин и немедленному разрыву волокна.

II. Как решается вопрос несущей способности оптического волокна в реальных инженерных условиях?

Для применения оптического волокна в сложных инженерных средах, требующих высокой нагрузки на растяжение (таких как космос, подземные работы, измерение деформации на мостах с большим пролетом и т. д.), обычно используются два решения: использование проверенного высокопрочного оптического волокна или бронирование оптического волокна стальной трубой и стальными проволоками.

1. Высокопрочное оптическое волокно и волоконно-оптические брэгговские решетки

Если требуется как тонкость голого оптического волокна, так и его способность выдерживать очень высокие деформации и нагрузки на растяжение, можно использовать высокопрочное оптическое волокно:

  • OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): В этом продукте используется отфильтрованное высокопрочное оптическое волокно с полиимидным покрытием ( OFSCN® SM Polyimide Optical Fiber ), диаметр оболочки которого составляет 125\ \mu\text{m}, а диаметр покрытия — 155\ \mu\text{m}. Брэгговские решетки записываются с помощью технологии точечной записи фемтосекундным лазером, при этом не повреждается полиимидное покрытие волокна. Диапазон допустимых деформаций при комнатной температуре составляет \ge 25000\ \mu\varepsilon, что обеспечивает отличную механическую стойкость к усталости и высокую прочность на уровне голого волокна.

    OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings
    OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings768×144 32 KB

    OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings Spectrum
    OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings Spectrum768×462 37.8 KB

2. Бронирование металлической трубой и стальным тросом (большая несущая способность на растяжение)

Если при прокладке кабеля и измерении силы требуется прямое воздействие очень высоких нагрузок на растяжение, оптическое волокно обычно помещают внутрь бесшовной стальной трубы из нержавеющей стали и защитного кожуха из стальных проволок: