Ist dies ein Maß für die „Elastizität“ von Glasfasern? Sind Glasfasern elastischer als Stahldraht?
I. Physikalische Definition des „Elastischen Moduls“ von Glasfasern
Der Elastische Modul (Young’s Modulus, üblicherweise als E bezeichnet) ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines isotropen, linear-elastischen Materials beschreibt, Dehnungen durch Zug oder Druck zu widerstehen (d. h. die Steifigkeit des Materials). Seine physikalische Definition ist das Verhältnis von Normalspannung \sigma zu Normaldehnung \epsilon innerhalb der elastischen Verformungsgrenze des Materials:
E = \frac{\sigma}{\epsilon}
- Numerischer Wert für Siliziumdioxidfasern：Der Elastische Modul von Standard-Quarzglas ( \text{SiO}_2 ) Kern- und Mantelmaterialien beträgt ungefähr E \approx 72\text{ GPa} (Gigapascal).
Wenn die Glasfaser mit Polyurethan, Polyimid oder Metallmaterialien beschichtet oder nach dem Einbau in Sensoren durch Metallrohre/Polymere verkapselt wird, ändert sich der scheinbare Elastische Modul der Gesamtstruktur entsprechend der Verbundfläche und dem Modul jeder Schicht.
II. Misst der Elastische Modul die „Elastizität“?
In der Physik und Materialwissenschaft muss „Elastizität“ aus zwei Perspektiven unterschieden werden: Steifigkeit gegen Verformung und Grenze der elastischen Rückstellbereichs:
1. Zug-/Verformungssteifigkeit (Steifigkeitsdimension)
Der Elastische Modul misst die Fähigkeit eines Materials, Dehnungen durch Zug zu widerstehen, wenn es Kräften ausgesetzt wird. Ein höherer Modul bedeutet, dass das Material „härter“ ist und eine geringere relative Längenänderung (Dehnung) unter der gleichen Zugkraft erfährt.
- Quarzglasfaser： E \approx 72\text{ GPa}
- Gewöhnlicher Strukturstahldraht： E \approx 200\text{--}210\text{ GPa}
Vergleichsschlussfolgerung：Unter der Einwirkung der gleichen Querschnittsfläche und der gleichen Zugkraft ist die Längenänderung der Quarzglasfaser etwa dreimal so groß wie die des Stahldrahts. Aus Sicht der Steifigkeit „Widerstand gegen Zugverformung“ ist der Stahldraht „härter“ (höherer Modul) als die Glasfaser.
2. Grenze des elastischen Verformungsbereichs (Dimension der vollständig wiederherstellbaren Verformung)
Wenn „Elastizität“ die Fähigkeit eines Materials bedeutet, nach dem Ziehen ohne plastische Verformung in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, dann ist die Leistung von Glasfasern Stahl deutlich überlegen.
- Hochfeste Quarzglasfasern：Aufgrund der extremen Reinheit des Materials und des Fehlens von Korngrenzenfehlern zeigen Quarzgläser, wenn ihre Oberflächen frei von Mikrorissen sind, nahezu perfekte lineare elastische Eigenschaften (kein Fließen bis zum Bruch). Hochfeste beschichtete Fasern (wie ausgewählte Polyimid-beschichtete Fasern) können Zugdehnungen von bis zu 1\%\text{--}2.5\% (d. h. 10000\ \mu\epsilon \text{ -- } 25000\ \mu\epsilon ) ohne bleibende plastische Verformung standhalten.
- Gewöhnlicher Stahldraht：Nach Erreichen einer Dehnungsgrenze von 0.2\%\text{--}0.5\% (d. h. 2000\ \mu\epsilon \text{ -- } 5000\ \mu\epsilon ) tritt normalerweise die plastische Verformung ein, und nach Entlastung kann die ursprüngliche Länge nicht wiederhergestellt werden.
Vergleichsschlussfolgerung：Der Bereich der wiederherstellbaren linearen elastischen Dehnung von Glasfasern ist weitaus größer als der von gewöhnlichem Stahldraht.
III. Ingenieurwesen und Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorik
Bei der Messung von Spannungen und Dehnungen mit Faser-Bragg-Gittern (FBGs) ist der Elastische Modul des Materials ein wichtiger physikalischer Parameter zur Berechnung des tatsächlichen Kraftzustands.
Gemäß dem Hookeschen Gesetz wird bei der Detektion eines zu messenden Objekts mit einem FBG-Dehnungssensor die gemessene physikalische Beziehung wie folgt ausgedrückt:
\text{Spannung des zu messenden Objekts} = \text{Elastischer Modul des zu messenden Objekts} \times \text{Dehnung}
Für Ingenieurszenarien, die eine präzise Messung von Dehnung oder Spannung erfordern, werden typischerweise Ummantelungsrohre mit spezifischen Modulen für Schutz und Verkapselung verwendet, wie z. B. die OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor und der OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor . Die Wellenlängen-Dehnungs-Beziehung (Verschiebung/Dehnungsempfindlichkeit, Einheit \mu\epsilon/\text{pm} ), die für den Sensor kalibriert ist, wird zusammen mit dem bekannten Elastischen Modul des Strukturmaterialgehäuses verwendet, um die mechanische Spannung, der das zu messende Objekt ausgesetzt ist, präzise zu berechnen.
