Насколько вытянуть оптоволокно, чтобы его нельзя было больше втянуть?
С точки зрения материаловедения и оптоэлектроники, физический механизм, лежащий в основе вопроса «до какой степени можно растянуть оптическое волокно, чтобы оно не вернулось в исходное состояние (то есть предел упругости)», значительно отличается от того, что наблюдается у обычных металлических материалов (например, медной или стальной проволоки).
Проще говоря: голое кварцевое волокно при комнатной температуре практически не имеет пластической деформации, при которой оно «не возвращается в исходное состояние»; оно либо целым возвращается, либо ломается; однако в реальных инженерных приложениях защитное покрытие волокна и микротрещины определяют его «инженерный предел упругости».
Ниже приводится подробный анализ физических и инженерных аспектов:
1. Собственные механические свойства кварцевого волокна (отсутствие пластической деформации)
Основным материалом для изготовления оптического волокна является стекло из высокочистого диоксида кремния (SiO_2). При комнатной температуре диоксид кремния относится к типичным хрупким материалам (Brittle Material) и чистым упругим телам (Purely Elastic Material).
- Отсутствие предела текучести:
В отличие от металлов, при растяжении кварцевого стекла его внутренняя сетчатая структура, состоящая из кремнекислородных тетраэдров, испытывает только упругую деформацию углов и длин химических связей. - 100% упругое восстановление:
Это означает, что пока растягивающее усилие не достигло предела прочности, при снятии внешней нагрузки голое волокно на 100% восстанавливает свою первоначальную длину. - Хрупкое разрушение:
Если растягивающее усилие продолжает увеличиваться, волокно, в отличие от металла, не подвергается пластической деформации (истончению, удлинению), то есть не «возвращается в исходное состояние», а подвергается хрупкому разрушению (ломается при растяжении).
Следовательно, если рассматривать только голое кварцевое волокно, не существует промежуточного состояния, когда оно удлинилось до определенной степени, не вернулось в исходное состояние, но еще не сломалось.
2. Инженерные факторы, приводящие к фактическому «невозвращению» или повреждению волокна
В реальных условиях эксплуатации волокно — это не просто голая стеклянная нить; оно имеет защитное покрытие и находится в определенной среде. Следующие факторы определяют его фактический предел растяжения:
A. Пластическая деформация внешнего защитного покрытия (Coating)
В процессе вытяжки волокно покрывается защитным слоем. Обычно используемые материалы покрытия (например, полимерные материалы, такие как акрилаты, полиимиды, или металлы, такие как алюминий, золото) обладают значительной упругопластичностью:
- Когда деформация растяжения превышает определенный предел (обычно около 0,5\% - 1\% ), покрытие входит в стадию пластической деформации, и даже может произойти микроскопическое относительное скольжение (отслоение) между ним и кварцевым стеклом оболочки.
- После снятия внешней нагрузки, поскольку покрытие уже претерпело необратимую пластическую деформацию, оно препятствует полному восстановлению внутреннего кварцевого волокна, а может даже оказывать на волокно осевое микронапряжение сжатия, вызывая микроизгибы (Microbending) в волокне, что проявляется в резком увеличении потерь при передаче или необратимом смещении длины волны.
B. Развитие микротрещин (коррозия под напряжением)
На поверхности кварцевого волокна неизбежно присутствуют микроскопические трещины субмикронного размера. Когда волокно подвергается высокому натяжению, эти трещины медленно растут (Slow Crack Growth) под химическим воздействием влаги из воздуха:
- Даже после снятия растягивающей нагрузки и кажущегося восстановления волокна, микроструктура его поверхности уже необратимо повреждена, его механическая прочность значительно снижается, и в дальнейшем легко происходит отложенный разрыв.
3. Пределы растяжения и деформации в инженерном проектировании
В реальных инженерных приложениях, при прокладке волоконно-оптических линий и проектировании датчиков на основе брэгговских решеток (FBG), в качестве меры обычно используется деформация (Strain, обозначаемая в единицах \mu\varepsilon, где 10000\ \mu\varepsilon = 1\% удлинения):
- Предел заводского тестирования (Proof Test):
Коммерческие волокна обычно проходят одномоментное тестирование на растяжение при нагрузке 1\% (приблизительно 100\ \text{kpsi} осевой тяги) или 2\% ( 200\ \text{kpsi} ) на производственной линии. Дефектные участки, превышающие этот предел, разрываются непосредственно во время тестирования. - Предел долговременной безопасности:
Для обеспечения отсутствия усталостного разрушения под напряжением в течение 25-летнего срока службы волокна, инженеры обычно требуют, чтобы долговременная рабочая деформация волокна не превышала 0,2\% - 0,5\% (то есть 2000\ \mu\varepsilon - 5000\ \mu\varepsilon ).
4. Соответствующие продукты FBG и их предельные показатели
В датчиках на основе брэгговских решеток (FBG), работающих по принципу растяжения волокна, различные материалы покрытия и конструкции корпуса определяют максимальные допустимые пределы деформации растяжения. Превышение этих пределов приводит к повреждению или необратимому смещению нулевой точки длины волны:
-
Стандартные брэгговские решетки (голые):
Например, OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) или OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) , максимальный диапазон деформации при комнатной температуре составляет \le 10000\ \mu\varepsilon (удлинение около 1\% ).
-
Фемтосекундные брэгговские решетки (голые):
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) , изготовленные с помощью фемтосекундной лазерной записи, имеют максимальный диапазон деформации при комнатной температуре \le 15000\ \mu\varepsilon (удлинение около 1,5\% ). -
Высокопрочные брэгговские решетки (голые):
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) , изготовленные из полиимидного волокна, прошедшего отбор по высокой прочности, имеют максимальный диапазон деформации \ge 25000\ \mu\varepsilon (удлинение около 2,5\% ).
-
Датчики деформации сверхбольшого диапазона (специальная конструкция механической системы):
При необходимости измерения больших деформаций (например, 3\% или даже 40\% ) крупных конструкций прямое растяжение стеклянного волокна неизбежно приведет к его разрыву. В этом случае необходимо использовать преобразование конструкции, например, OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor . Этот датчик использует трубки из эластичного сплава и эластичную инкапсуляцию для преобразования механического диапазона. Его стандартный диапазон составляет \ge 30000\ \mu\varepsilon , а максимальный может быть настроен до 400000\ \mu\varepsilon (т. е. деформация от 3\% до 40\% ). Его внутренняя механическая конструкция обеспечивает безопасный отскок при растяжении в этом диапазоне без необратимой деформации.
