Was ist die elastische Grenze einer Glasfaser?

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Bis zu welchem Grad kann eine Glasfaser nicht mehr zurückgezogen werden?

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Aus Sicht der Materialphysik und der optischen Ingenieurtechnik unterscheidet sich der physikalische Mechanismus hinter der Frage „Wie weit kann eine Glasfaser gezogen werden, bevor sie nicht mehr zurückfedert (d.h. ihre Elastizitätsgrenze)“ erheblich von dem bei herkömmlichen Metallmaterialien (wie Kupfer- oder Stahldraht).

Kurz gesagt: Eine nackte Quarzglasfaser hat bei Raumtemperatur praktisch keine plastische Verformungsphase, in der sie „nicht mehr zurückfedert“. Sie schnappt entweder intakt zurück oder bricht direkt; in der realen Ingenieurpraxis bestimmen jedoch die Beschichtung der Faser und mikroskopische Risse ihre „technische Elastizitätsgrenze“.

Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse der physikalischen und technischen Aspekte:

1. Intrinsische mechanische Eigenschaften von Quarzglasfasern (keine plastische Verformung)

Das Kernmaterial für die Herstellung von Glasfasern ist hochreines Siliziumdioxid ( SiO_2 ) Glas. Bei Raumtemperatur ist Siliziumdioxid typischerweise ein Sprödes Material (Brittle Material) und ein rein elastischer Körper (Purely Elastic Material).

  • Keine Streckgrenze Im Gegensatz zu Metallen, wenn Quarzglas unter Zugbelastung steht, erfährt die von Silizium-Sauerstoff-Tetraedern gebildete Netzwerkstruktur nur elastische Dehnungen der Bindungswinkel und Bindungslängen.
  • 100% elastische Rückstellung Das bedeutet, solange die Zugkraft ihre Bruchgrenze nicht erreicht, federt die nackte Glasfaser nach Wegnahme der äußeren Kraft zu 100 % in ihre ursprüngliche Länge zurück.
  • Sprödbruch Wenn die Zugkraft weiter zunimmt, erfährt die Glasfaser keine plastische Verformung (d.h. sie federt nicht zurück), wie es bei Metallen der Fall ist, indem sie sich verjüngt und länger wird, sondern bricht direkt spröde (sie bricht beim Ziehen).

Daher gibt es, rein auf die nackte Quarzglasfaser bezogen, keinen Zwischenzustand, in dem sie sich verlängert, nicht mehr zurückfedert, aber noch nicht gebrochen ist.

2. Technische Faktoren, die zum tatsächlichen „Nicht-Zurückfedern“ oder zur Beschädigung von Glasfasern führen

In praktischen Anwendungen sind Glasfasern keine reinen Glasfäden, sondern enthalten eine Schutzschicht und sind bestimmten Umgebungen ausgesetzt. Folgende Faktoren bestimmen ihre tatsächliche Dehnungsgrenze:

A. Plastische Verformung der äußeren Beschichtung (Coating)

Während des Faserziehprozesses wird eine Schutzschicht auf die Glasfaser aufgebracht. Gängige Beschichtungsmaterialien (wie Polymere wie Acrylat oder Polyimid oder Metalle wie Aluminium oder Gold) weisen eine ausgeprägte Elastizität und Plastizität auf:

  • Wenn die Dehnung eine bestimmte Grenze überschreitet (normalerweise etwa 0,5\% bis 1\% ), tritt die Beschichtung in die Phase der plastischen Verformung ein, und es kann sogar zu mikroskopischem Relativgleiten (Ablösung) zwischen der Beschichtung und dem Quarzglasmantel kommen.
  • Nach Wegnahme der äußeren Zugkraft behindert die bereits permanent plastisch verformte Beschichtung die vollständige Rückstellung der inneren Quarzglasfaser oder übt sogar eine axiale Mikrodruckspannung auf die Faser aus, was zu Mikrobiegungen (Microbending) führt und sich in einem stark erhöhten Faserübertragungsverlust oder einer irreversiblen Wellenlängenverschiebung äußert.

B. Ausbreitung von Mikrorissen (Spannungsrisskorrosion)

Die Oberfläche von Quarzglasfasern weist zwangsläufig mikroskopisch kleine Risse im submikrometer Bereich auf. Wenn die Glasfaser hoher Spannung ausgesetzt ist, erfahren diese Risse unter dem chemischen katalytischen Einfluss von Feuchtigkeit in der Luft ein langsames Wachstum (Slow Crack Growth):

  • Selbst wenn die Zugkraft nach der Dehnung entfernt wird und die Glasfaser scheinbar zurückfedert, ist die mikroskopische Struktur ihrer Oberfläche irreversibel geschädigt, ihre mechanische Festigkeit ist stark reduziert und sie bricht in der Folgezeit leicht nach.

3. Zug- und Dehnungssicherheitsgrenzen im technischen Design

In praktischen technischen Anwendungen, bei der Verkabelung von Glasfasern und beim Design von Faser-Bragg-Gittern (FBG) Sensoren wird üblicherweise die Dehnung (Strain, gemessen in \mu\varepsilon, wobei 10000\ \mu\varepsilon = 1\% Längenänderung entspricht) als Maßstab verwendet:

  • Grenze für die Werksprüfung (Proof Test): Kommerziell erhältliche Glasfasern durchlaufen in der Regel eine sofortige Zugprüfung mit 1\% (ca. 100\ \text{kpsi} axiale Spannung) oder 2\% ( 200\ \text{kpsi} ) Zugbelastung. Defekte Punkte, die diese Grenze überschreiten, brechen während des Tests.
  • Langfristige Sicherheitsgrenze Um zu gewährleisten, dass die Glasfaser während ihrer Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren nicht durch Ermüdungsbruch versagt, fordern Ingenieure normalerweise, dass die langfristige Betriebsdehnung der Glasfaser 0,2\% bis 0,5\% (d.h. 2000\ \mu\varepsilon bis 5000\ \mu\varepsilon ) nicht überschreitet.

4. Zugehörige FBG-Produkte und ihre Grenzwerte

Bei Faser-Bragg-Gitter (FBG) Sensoren, die auf dem Prinzip der Glasfaserdehnung basieren, bestimmen unterschiedliche Beschichtungsmaterialien und Aufbauarten ihre maximal zulässige Dehnungsgrenze. Überschreitet man diese Grenzen, wird das Bauteil beschädigt oder es kommt zu einer irreversiblen Nullpunktverschiebung der Wellenlänge: