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光纤的弯曲应力是什么？

文摘 2024-07-01 22:16 湖北

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在光纤的生命周期内，会受到多种力的影响，统称为"应力"。

应力分为残余应力和应用应力。前者主要由内部因素导致，如材料热膨胀系数差异。后者则由外部作用产生，可能源自外部机械作用，例如弯曲和拉伸。

在传统的单模光纤中，残余应力相比应用应力来说，一般要小得多，而且残余应力是恒定不变的，对光纤的使用寿命影响不大。

今天我们主要讨论的是应用应力中最常见的一种，即由弯曲引起的弯曲应力。

如下图示意的光纤弯曲，以垂直于弯曲方向的中心轴为分界线。上半部分受到压缩，下半部分受到拉伸，也就是张应力。

当光纤遭受弯曲时，轻则引入弯曲损耗；重则导致光纤发生自发性断裂。对于传统的传输系统，一般要求光纤的最小弯曲半径应大于 30mm。

但对接入网光缆，根据ITU-TG.657建议书，对不同类别的光纤提出了更为严格的最小弯曲半径标准：

在小弯曲半径下，光纤主要会面临由弯曲造成的的张应力带来的不利影响。由弯曲引起的应力 σ 的大小可以根据下面的公式进行计算：

其中：

E 是杨氏模量，在低应变条件下可以认为是恒定的。

r 是光纤的半径，

R 是弯曲半径，

C_th是光纤涂层的厚度。

从公式中可以看出，涂覆层对光纤强度也有非常重要的影响。粘附性强的涂层能有效地防止由机械损伤引起的裂纹扩展。

弯曲半径与张应力的关系如下图：

SiO2 的材料有一个显著特性，它在拉伸时较为坚韧，但在受到张应力时则较为脆弱。也就是说在相同的应力作用下，张应力对光纤造成的损害更为严重。

下图展示了直径分别为80μm、125μm和200μm的光纤在不同弯曲半径下所承受的最大弯曲应力。6mm 的弯曲半径下的应力是0.7GPa 。

另外，在光纤内部的微裂纹可能因应力作用而扩展，最终导致断裂。这种断裂通常由两类缺陷触发：

一是光纤本身的本征缺陷，容易评估；

二是表面损伤造成的非本征缺陷，一般通过动态疲劳参数来评估。

下图是光纤的半径 62.5µm，按照 25 年的使用寿命，在1ppm故障率要求下，两点弯曲下不同弯曲半径对应的疲劳参数值要求：

当弯曲半径为 5mm 时的失效概率与疲劳参数的关系如下图：

从上面两张图表可以看出，当弯曲半径达到 5mm 时，光纤的疲劳参数值只要达到24或更高，就能够保持失效概率在1ppm及以下。

应力的其他表现，如扭转应力、接触应力等，后续再聊。

感谢阅读，若有表述不准确的地方望见谅，并请留言指教，谢谢！

参考：

光纤的机械可靠性及使用寿命

康宁光纤可靠性分析白皮书

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