Bu, fiberin “esnekliğini” ölçmek için bir ölçüm müdür? Fiber, çelik telden daha esnek midir?
I. Elyafın “Young Modülü” Fiziksel Tanımı
Young modülü (genellikle E ile gösterilir), izotropik lineer elastik malzemenin gerilme veya sıkıştırma gerinimine karşı direnç yeteneğini (yani malzemenin sertliği) tanımlayan bir fiziksel niceliktir. Fiziksel formülü, malzemenin elastik deformasyon sınırı içindeki normal gerilim \sigma ile normal gerinim \epsilon arasındaki orandır:
E = \frac{\sigma}{\epsilon}
- Silika Cam Elyafın Sayısal Değeri: Standart erimiş silika cam ( \text{SiO}_2 ) çekirdek ve kaplama malzemesinin Young modülü yaklaşık olarak E \approx 72\text{ GPa} (Gigapaskal)'dir.
Elyaf polibütadien, poliimit veya metal malzemelerle kaplandığında veya sensör olarak metal tüp/polimer içine paketlendiğinde, genel yapının görünür elastik modülü, ilgili katmanların bileşik kesit alanına ve modülüne göre değişir.
II. Young Modülü “Esnekliği” Ölçer mi?
Fizik ve malzeme mekaniğinde, “esneklik” deformasyona direnç sertliği ve nihai elastik geri kazanım aralığı olmak üzere iki boyutta ayırt edilmelidir:
1. Çekme/Deformasyona Direnç Sertliği (Sertlik Boyutu)
Young modülü, malzemenin kuvvete maruz kaldığında çekme deformasyonuna karşı koyma yeteneğini ölçer. Modül ne kadar büyükse, malzeme o kadar "sert"tir ve aynı çekme kuvveti altında oluşan göreceli uzama (gerinim) o kadar az olur.
- Kuvars Elyaf: E \approx 72\text{ GPa}
- Sıradan yapı çeliği teli: E \approx 200\text{--}210\text{ GPa}
Karşılaştırmalı Sonuç: Aynı kesit alanına ve eşit çekme kuvvetine maruz kaldığında, kuvars elyafın uzama deformasyonu çelik telin yaklaşık 3 katıdır. “Çekme deformasyonuna direnç” sertliği açısından bakıldığında, çelik tel elyaftan daha "sert"tir (daha yüksek modül).
2. Nihai Elastik Deformasyon Aralığı (Tamamen Geri Kazanılabilir Deformasyon Boyutu)
Eğer “esneklik”, malzemenin çekme sonrası plastik deformasyon olmaksızın orijinal şekline tamamen geri dönebilme yeteneği anlamına geliyorsa, elyafın performansı çelik telden önemli ölçüde daha iyidir.
- Yüksek mukavemetli kuvars elyaf: Malzemenin son derece yüksek saflığı ve kristal sınır kusurlarının olmaması nedeniyle, yüzeyde mikro çatlak hasarı olmadığında, kuvars cam neredeyse mükemmel lineer elastik özellikler sergiler (kopmadan önce akma meydana gelmez). Yüksek mukavemetli kaplamalı elyaflar (örneğin seçilmiş poliimit kaplı elyaflar) kalıcı plastik deformasyon olmaksızın %1 ile %2.5 (yani 10000\ \mu\epsilon \text{ -- } 25000\ \mu\epsilon ) arasında değişen elastik gerinimlere dayanabilir.
- Sıradan çelik tel: Genellikle %0.2 ile %0.5 (yani 2000\ \mu\epsilon \text{ -- } 5000\ \mu\epsilon )'lik akma sınırı gerinimine ulaştıktan sonra plastik deformasyon aşamasına girer ve yük kaldırıldığında orijinal uzunluğuna geri dönmez.
Karşılaştırmalı Sonuç: Elyafın geri kazanılabilir lineer elastik gerinim aralığı sıradan çelik telden çok daha büyüktür.
III. Mühendislik ve Fiber Bragg Grating (FBG) Sensör Uygulamaları
Fiber Bragg Grating (FBG) gerinim ölçümünde, malzemenin elastik modülü, gerçek yük durumunu hesaplamak için temel fiziksel parametredir.
Hooke Yasasına göre, bir nesnenin gerinimini tespit etmek için FBG gerinim sensörü kullanıldığında, ölçülen fiziksel ilişki şöyledir:
\text{Nesne Gerilimi} = \text{Nesne Elastik Modülü} \times \text{Gerinim}
Gerinimi veya gerilimi doğru bir şekilde ölçmek için mühendislik senaryolarında, örneğin OFSCN® Alaşımlı Tüp Paketli Fiber Bragg Grating Gerinim Sensörü ve OFSCN® Fiber Bragg Grating Gerilim Sensörü gibi, genellikle belirli bir modüle sahip tüp malzemeleri koruyucu paketleme için kullanılır. Sensör, fabrika çıkışında kalibre edilmiş dalga boyu-gerinim ilişkisi (yer değiştirme/gerinim hassasiyeti, birimi \mu\epsilon/\text{pm} ), yapısal bileşen malzemesinin bilinen elastik modülü ile birleştirilerek, nesnenin maruz kaldığı mekanik gerilimi doğru bir şekilde hesaplamak için kullanılır.
