不少人问光纤是不是很容易断? 一定会断,但是并不容易断。 一方面玻璃强度其实很大的,另外光纤还有外部的涂层材料保护。 今天聊一下玻璃的强度。 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(mm 2 ),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。 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/m 2 或3600 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。 瑕疵造成应力线不均匀 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)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。