光纤的性能（强度篇）

文摘 2024-11-07 09:03 湖北

不少人问光纤是不是很容易断？答案是：一定会断，但是并不容易断。一方面高纯的玻璃强度一般很大的，另外光纤还有外部的涂层材料保护。

玻璃纤维的强度被发现
光纤中有各种力的交织
光纤的应力和瑕疵影响（有视频“鲁伯特之泪”）

玻璃纤维的强度被发现

几千年来，人类一直在利用玻璃的美丽与透明，同时承认它总是易碎的。但是1887年，英国科学家波伊斯（Sir Charles Vernon Boys）建造了一座石弩，随后又将烧熔的玻璃棒绑在箭矢上，粘附于石弩。把弩箭射出去的同时拉出一根纤细的玻璃丝。

波伊斯的目的是使用玻璃丝作为扭力弹簧，这是他的精密仪器的一部分，后来波伊斯精准测量出万有引力常数G，优化了卡文迪许早期测试结果。

本来就想做根针，但是波伊斯却做出来一根线，这根玻璃细线长达27米，出乎意料的是这根玻璃线的强度丝毫不逊色与同等规格的钢丝。石弓实验让脆弱的玻璃的故事出现了翻转，为这种材料之后的广泛用途打开了大门（我们可以利用玻璃的强度）。

光纤的这几个机械力的概念

应力（stress）：无论是块状玻璃，还是玻璃纤维，应力总是存在。在连续体力学中，应力是一种物理量，表示连续材料的相邻粒子彼此施加的内力。举个例子，竖直放置的锤子，当实心的垂直杆支撑着头顶重量时，杆中的每个颗粒都会推到其正下方的颗粒上。液体一样，当液体在压力下处于密闭容器中时，每个粒子都会被所有周围的粒子推压。这些宏观力实际上是大量分子间力的碰撞的最终结果。

定量地看，材料中某个点在任一方向上的应力等于沿该方向作用在该点上的力（或载荷）除以该力的作用面积。若我们设某点的应力为s，则有：

其中，P为载荷或力，而A是P的作用面积。

再举个例子，树上用绳子挂着砖头，如果砖头重5千克，绳子的横截面积为2平方毫米（mm²），那么绳子的应力就是：

应力单位是什么？应力是任意单位的力除以任意单位的横截面积，这样有个麻烦，应力的单位不太容易统一，需要换算。

兆牛顿/平方米（MN/m2）。这是一个国际单位制的单位。
1.0牛顿=0.102千克力=0.225磅力（差不多相当于一个苹果的重量）。1兆牛顿=100万牛顿，约等于100吨力。
磅（pound）/平方英寸（square inch）（PSI）。这是一个传统的英制单位，仍被工程师广泛使用。

应变（deformation）是描述材料形变的量度。

对于遵循胡克定律的材料，斜率（应力与应变之比）为定值。

杨氏模量：有时也被称为“弹性模量”（Elastic modulus），记作E，在平常的技术交流中它往往会被说成是“刚度”。

回想一下刚才绳子挂砖头的例子，砖头的重量产生的24.5 MN/m2或3 600 psi应力的作用下，绳子被拉长了，产生了0.5%或0.005的应变。所以，绳子的杨氏模量就表达成：

杨氏模量也是PSI？因为我们是用应力去除以一个无量纲的分数，所以杨氏模量与应力具有同样的量纲，即以应力的单位表示。

应力线不均匀

玻璃能承受的力非常大，“鲁伯特之泪” （Prince Rupert's Drop）是一个很有趣的例子。一块玻璃快速冷却而形成的水滴状玻璃。有一个非常强坚硬的头，但是尾部是薄弱点。

鲁伯特之泪是通过热胀冷缩引入了应力，这个应力类似拱桥结构（比如赵州桥）提供的力，这个应力展示出玻璃坚硬的一面，能很好的抵御外部力量。因此现代人们用玻璃做防弹、玻璃栈道，汽车挡风板… “鲁伯特之泪”玻璃块的尾巴是薄弱点，较容易夹碎。这也是玻璃的“脆弱”。

鲁伯特之泪的尾巴部位是薄弱点，尾部细长（是很容易在冷却的时候达到内外的热平衡，之后有机会再聊一聊“鲁伯特之泪”的制造原理）就不存在刚才说的“拱桥”一样的应力了。就很容易在这个位置破坏玻璃的应力分布结构。一旦应力分布有缺口，强度必然减弱。

生活中很多地方利用了材料的瑕疵带来了一定的方便。比如（1）撕纸的时候要先裁一个小口；（2）邮票会通过打孔，便于撕开；（3）密封包装上会留一个小缝，这样便于打开。

光纤中如果存在瑕疵，其实是一个道理，瑕疵点都是薄弱点。造成瑕疵的原因也比较多，有些是工艺过程中光纤外部受损，有些是材料中存在杂质，也有冷却过程中的不均匀.... 瑕疵改变了纤维的应力曲线，光纤强度就差了（其实光学性能也差了，引入了衰耗）。所以光纤生产需要比较苛刻的洁净环境；光纤生产之后，也一定要经过拉力筛选。

用过保偏光纤的朋友有经验，切割或者端面磨抛时候容易开裂。玻璃光纤本身需要有一定的应力，这增强了光纤的强度。但是类似保偏光纤应力区这个特殊位置，磨抛和切割，是在创造“瑕疵点”，所以非常容易开裂（甚至炸裂）。掺杂浓度高，加之拉丝时候冷却速度较快的光纤切割就更是难题了。

块状玻璃的炸裂平时生活中就有经验，像玻璃窗的炸裂这类情况还是比较常见。

回到开头的问题，如果问光纤是不是容易断？除了玻璃本身较强的应力，一般光纤使用时候，还有外部的高分子材料涂覆层保护。高分子涂覆层有一定的光学作用，另外也避免在使用光纤时候，不小心的触碰对玻璃表面造成不必要的瑕疵。

小结

光纤的机械性能非常重要，但是我们利用光纤，更重要的还是光纤的光学性能。有些玻璃材料的机械性能并不好（比如硫系玻璃、重金属氧化物玻璃），但是由于在红外波长段的优秀光学表现，超高的非线性系数，也易于实现稀土掺杂等等的特点，也有很多特殊场景一定需要使用。工程应用需要根据目的平衡优劣势。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MDE2NjczNQ==&mid=2247499361&idx=1&sn=8a92e0416e11dc2aacaa3cbfb9b711d6

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