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材料| 蓬勃發展的智能紡織材料(四):光導纖維!



自1977年美國加州通用電話公司啟動全球第一套光纖通信系統以來,光纖在通訊領域的通訊傳導功能為社會所熟識。隨著光導纖維技術取得的快速發展和巨大成績,很多領域把目光瞄準光纖這一新興行業的技術特點、材料研發及應用研究,多領域的共同參與也促進了光導纖維技術的快速進步和在更廣泛領域的應用。在眾多應用中,以通訊、醫療、照明、裝飾領域中的應用最為廣泛。





 



1. 光導纖維及其分類



光導纖維是一種可將光能封閉在纖維中並使其以波導方式進行傳輸的光學複合纖維,亦稱為智慧光纖,由纖芯和包層2部分組成,具有優異的傳輸性能,可隨時提供描述系統狀態的準確資訊。



光導纖維按所使用的材質分類,可分為石英玻璃光纖和塑膠光纖(POF)兩大類,前者主要應用於較長距離的光通信領域,取代同軸電纜和微波通信,它又可分為石英光纖、氟化玻璃光纖和硫化玻璃光纖等,而後者按所使用的聚合物種類(包括芯鞘不同材質)又可分為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PSt)、含氟透明樹脂和氘化PMMA等。



從結構上分類,光纖是由傳輸的芯材和折射率等較低的圍繞它的鞘材構成的,按其可傳輸的光模是單一或複數,又有單模光纖和多模光纖之分,而多模光纖又可分類為芯材折射率一定的階段指數(SI)型或錶芯型,以及折射率由光纖芯部中心向表面對稱遞減分佈的漸變指數(GI)型或聚焦型。





光導纖維全反射示意圖





SI型和GI型光纖



2. 光導纖維的主要應用領域



(1)通信、醫療



光纖通信因其傳輸容量大,保密性好等優點,現在已經成為當今最主要的有線通信方式,在數位時代裡扮演非常重要的角色。將需傳送的資訊在發送端輸入到發送機中,將資訊疊加或調製到作為資訊信號載體的載波上,然後將已調製的載波通過傳輸媒質傳送到遠處的接收端,由接收機解調出原來的資訊,便實現了資料的傳輸和通訊。



隨著光導纖維製造技術的進步,也為醫學應用帶來了美好的前景。纖維內窺鏡已應用臨床多年,其中用光纖把鐳射導入體內進行診斷和治療已廣泛開展。將導光功能作為內窺鏡的照明,可以開展小切口的微創手術。光導纖維輔助開展的微創手術,具有創口小、疼痛輕、恢復快、住院時間短、出血少的重要特點,在某些領域已經完全淘汰了創口大、出血多的傳統手術。奧林巴斯公司還將光纖用於工業管道探傷檢修內窺鏡設備。



纖維內窺鏡微創手術



奧林巴斯公司工業管道探傷檢修內窺鏡



石英光導纖維因其傳輸損耗小,主要應用於長距離的通信等領域,而POF則應用于百米以內的用途;普通玻璃光纖雖也有應用於短距離的電子電腦網路、胃鏡等,但由於其脆性和使用過程易斷裂(當其纜線折成90°時即失去圖像,再折成90°以上便斷裂),因此逐漸被POF所取代。



(2)感測器



光導纖維直徑細、柔韌性好、易加工,同時兼具資訊感知和傳輸的雙重功能,被人們公認為首選的傳感材料,近些年來其被廣泛用於製作各類感測器,在智慧服裝、安全性服裝等新型服裝中屢有應用,以實現對外界環境的溫度、壓力、位移等狀況以及人體的體溫、心跳、血壓、呼吸等生理指標的監控。



光纖傳感器用於隧道的溫度檢測



運用光纖傳感器檢測血液中氧含量的智慧服裝



(3)裝飾領域



POF 塑膠光纖因其特有的材料學屬性,如質輕、柔軟,拉伸強度好、耐用性好,佔用空間小,光傳導能力大,價廉、容易加工和連接等,因此非常適合應用於裝飾藝術。光纖材質發揮其特有的表現語言後,結合具體裝飾藝術,便能展現出異彩紛呈的多種表現形式。



 在家庭居室的裝飾中,利用光導纖維的可塑性,不僅可以把太陽光引入室內照明,也可以使用LED 光源,根據主人的身份、愛好、個人品味、文化程度、社會地位等特徵,改變光線、色彩、構成、佈局配合不同居室設計風格。



服裝是人們必不可少的一個組成部分,隨著社會的發展,人們更加的追求個性化,而將光導纖維應用到服飾當中,則能夠在服飾中創造出別具一格的服裝特點,同時,還能夠給予人們眼前一亮的感受。



傢俱裝飾和服飾的光纖應用門檻相對較高,一些小型的玩具、擺設、配飾光纖裝飾品則裝配方便、成本低廉,為市場迅速接受、消化。



在光導纖維日益多元化應用背景下,超高速和大容量光纖在通信領域的應用前景廣闊;另外,在新興的裝飾領域,光纖也具有廣闊的應用前景。



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