Насколько твердым является кварцевое стекло? Какое сопротивление на разрыв оно может выдержать?
Кварцевое стекло (диоксид кремния, \text{SiO}_2), являясь основным материалом основы современных оптоволокон для связи и датчиков, демонстрирует уникальное единство противоположностей в своих механических свойствах: на микроскопическом уровне оно обладает чрезвычайно высокой жесткостью и теоретической прочностью; однако на макроскопическом уровне его фактическая несущая способность ограничена из-за его хрупкости и наличия поверхностных микротрещин.
Ниже мы подробно рассмотрим, «насколько тверд кварц» и «какую тяговую силу может выдержать оптоволокно», с трех точек зрения: физических концепций, математических расчетов и инженерных применений:
I. Что такое «модуль Юнга» оптоволокна?
Модуль Юнга (Young’s Modulus) — это физическая величина, описывающая способность твердого материала сопротивляться деформации. В пределах упругости это отношение растягивающего напряжения ( \sigma ) к растягивающей деформации ( \varepsilon ):
E = \frac{\sigma}{\varepsilon}
Для кварцевого стекла (плавленого кварца, Fused Silica), используемого в производстве оптоволокна, его модуль Юнга E обычно находится в диапазоне от 72\ \text{GPa} до 73\ \text{GPa} (то есть от 7.2 \times 10^{10}\ \text{Pa} до 7.3 \times 10^{10}\ \text{Pa}).
Что это значит?
Это значение указывает на очень высокую жесткость кварцевого стекла. Для сравнения, модуль Юнга алюминия составляет около 69\ \text{GPa}, а меди — около 110\ \text{GPa}. Это означает, что при одинаковой растягивающей нагрузке голое кварцевое волокно сопротивляется деформации даже немного лучше, чем проволока из алюминия той же площади поперечного сечения.
II. Какую максимальную тяговую силу может выдержать кварцевое оптоволокно?
Чтобы оценить, какую максимальную тяговую силу может выдержать оптоволокно, мы должны рассчитать его на основе стандартного размера одномодового оптоволокна (внешний диаметр оболочки 125\ \mu\text{m}).
Площадь поперечного сечения кварцевой оболочки оптоволокна A составляет:
A = \pi \times r^2 = \pi \times (62.5 \times 10^{-6}\ \text{m})^2 \approx 1.23 \times 10^{-8}\ \text{m}^2
В зависимости от сценария применения, прочность оптоволокна на растяжение можно разделить на следующие три уровня:
1. Испытание на прочность при заводском контроле (Proof Test) — гарантированный минимум
Для устранения крупных дефектов, возникших в процессе производства, и серьезных поверхностных микротрещин, стандартное оптоволокно должно пройти испытание на растяжение перед отправкой с завода.
- Испытательное напряжение：обычно 100\ \text{kpsi} (примерно 700\ \text{MPa} или 0.7\ \text{GPa}).
- Соответствующая деформация：около 1\% (то есть 10000\ \mu\varepsilon).
- Выдерживаемая тяговая сила：F = \sigma \times A \approx 7 \times 10^8\ \text{Pa} \times 1.23 \times 10^{-8}\ \text{m}^2 \approx 8.6\ \text{N}Другими словами, прошедшее заводской контроль качественное оптоволокно может выдержать мгновенную растягивающую нагрузку не менее 8.6\ \text{N} (что эквивалентно силе тяжести примерно 0.88\ \text{kg} ) без разрыва.
2. Кратковременная предельная прочность на растяжение — предел в лабораторных условиях
При отсутствии серьезного воздействия окружающей среды и неповрежденном покрытии, кратковременная предельная прочность на растяжение высококачественного голое кварцевого оптоволокна, измеренная в лабораторных условиях, может достигать около 5\ \text{GPa}.
- Предельная тяговая сила：F \approx 5 \times 10^9\ \text{Pa} \times 1.23 \times 10^{-8}\ \text{m}^2 \approx 61.5\ \text{N}Это эквивалентно тому, что голое оптоволокно толщиной с волосок может поднять груз около 6.2\ \text{kg} в течение очень короткого времени. Это полностью демонстрирует высокую прочность кварцевого стекла в безупречном состоянии.
3. Безопасная рабочая тяговая сила в долгосрочной перспективе — принцип инженерного проектирования
Поскольку кварцевое стекло подвержено «коррозии под напряжением» (то есть, под действием длительного растягивающего напряжения и влаги из воздуха микротрещины медленно расширяются), для обеспечения того, чтобы оптоволокно не разрывалось в течение срока службы более 25 лет, при проектировании инженерные решения обычно ограничивают длительную статическую рабочую деформацию пределом физической безопасности в 0.2\%.
- Безопасное рабочее напряжение：около 144\ \text{MPa}.
- Долгосрочная безопасная тяговая сила：F \approx 1.44 \times 10^8\ \text{Pa} \times 1.23 \times 10^{-8}\ \text{m}^2 \approx 1.77\ \text{N}Таким образом, для самого голого оптоволокна рекомендуется, чтобы длительная статическая растягивающая сила не превышала 1.7\ \text{N} (что эквивалентно силе тяжести 0.18\ \text{kg} ). Если требуется выдерживать большую растягивающую силу, необходимо обеспечить защиту с помощью внешней бронирующей структуры, такой как трубка из нержавеющей стали, арамидные нити или сплав.
III. Применение механических принципов в датчиках на основе волоконных брэгговских решеток (FBG)
Модуль Юнга оптоволокна является основой для расчета в датчиках на основе волоконных брэгговских решеток. Согласно закону Гука, в пределах упругой деформации материала существует прямая линейная зависимость между напряжением и деформацией измеряемого объекта:
\text{Напряжение} = \text{Модуль упругости} \times \text{Деформация}
Точно измеряя небольшое смещение длины волны отражения волоконной брэгговской решетки, можно получить высокоточные данные о деформации, а затем рассчитать распределение напряжений внутри конструкции.
Например, датчик напряжения OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor , разработанный компанией «大成永盛» (Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.) на основе этого физического принципа, использует в качестве основного чувствительного элемента стандартное одномодовое оптоволокно, работающее в безопасном диапазоне деформаций:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
При выпуске с завода этот датчик проходит строгую калибровку длины волны деформации. В реальных инженерных условиях пользователь вводит калибровочный коэффициент одночлена в демодуляторное устройство и, используя модуль упругости (модуль Юнга) измеряемой конструкции (например, арматуры, бетона, алюминиевых сплавов и т. д.), может точно выполнять расчеты и мониторинг множества физических величин.
В качестве основного оптоволокна используется высококачественное голое оптоволокно, произведенное на основе стандартного оптического стержня G.652D:
