[心得] 水攝器材材料的選用

看板DivingSport (潛水)作者magicfx (去南半球度假)時間10年前 (2015/08/26 14:57)推噓0(0推 0噓 4→)

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http://www.fun-in.com.tw/blog/?p=1857 潛水和水攝器材的材料選用是一門學問，除了要考慮成本問題，還要考慮是否能耐水壓和耐腐蝕。要耐水壓就要來談談材料的強度問題。還記得上 PADI 進階開放水域課程的深潛課時，教練把一包泡麵帶到 30m 深，泡麵包裝內的空氣被壓縮，看起來就像真空包裝一樣！而我們當然不希望帶防水袋下那麼深，因為防水袋也是用柔軟的塑料做的，水肺潛水下去一定會被壓扁，所以下到海裡水攝，防水殼必須夠堅固，才能抵抗水壓以保持外型的完整，確保不會進水，各按鍵的功能也完整。防水袋雖然便宜，但只能用在浮潛，還不如直接買有防水功能的相機。一般來說，防水殼的材質有壓克力（PMMA）、聚縮醛（POM）、碳纖維和鋁合金，鏡頭罩鏡片的材質有 PMMA 和玻璃，比較高階的潛水電腦錶錶面會採用藍寶石玻璃（氧化鋁，也叫鋼玉，硬度 9，僅次於硬度 10 的鑽石），例如可以耐水深 150m 的 Suunto D6i 就是採用藍寶石玻璃。為什麼鋁合金防水殼可以潛超過 60 m，甚至可以到 150m，而壓克力多半只能下到 60m？這就要談到材料的強度，簡單來說，當壓克力殼下到超過 60m 以後，形變的程度雖然不致於讓整個殼被壓扁，但是可能會造成 O-Ring 的溝槽無法完全密閉，而鋁合金就比較硬，玩技術潛水就得用鋁合金的防水殼。而碳纖維的殼雖然強度也夠，但是碳纖維加工不易，不像鋁合金可以鑄造也可以切削，將來如果升級機身，升級鋁合金防水殼而不重新買殼是有可能辦到的（像 Nexus 有更換壓克力背板、按鍵，適度進行切削的服務），所以市面上較少見碳纖維的防水殼。提到材料的強度，工程師的心中一定會想到「楊氏模量」，也稱「楊氏模數」（英語： Young’s modulus）。楊氏模量可以告訴我們彈性材料承受正向應力時會產生多少正向應變，在形變的量沒超過彈性限度時，定義正向應力與正向應變的比值為這種材料的楊氏模量。以下列出水攝器材常用的固體材料的楊氏模量概略數值（GPa）：橡膠：0.01-0.1 壓克力（PMMA）：2.35-29.42 POM：2.6 鋁：69 玻璃：71.7 鈦：105-120 碳纖維：150 合金/鋼：190-210 藍寶石：300-400 這個數值要怎麼直觀地去理解？先想想把彈簧拉直或是壓縮，會發生什麼事情？拉力和彈簧伸長量成正比，其實就是我們很早就知道的虎克定律。彈簧拉伸的長度，也和彈簧本身的長度成正比（利用串聯的實驗來想）。如果把兩個彈簧並聯，伸長量會變成一半，也就是說彈簧的伸長量和串聯的數目成反比。（以上假設都用相同的彈簧去做串並聯）現在想像有個柱子或是電線，截面積 A 長度 L，施力 F，伸長量 delta L delta L 正比於 F 也正比於 L 但反比於 A 寫成式子： F/A = y delta L / L 就此推導出楊氏模量y 解析以上的式子 F/A => stress 壓力 delta L / L => strain 應變（沒有單位）所以楊氏模量會是壓力的單位假設對於兩個 y 不一樣的固體施以相同壓力，y 小的固體，strain 就會比較大 => 表示更容易拉長！反之，如果 y 很大，很不容易拉長 => 很硬！很 stiff 現在要把 y 的數值具體化，找個例子吧： Ex. 想像有一根圓柱形的鋼棒，半徑 r，截面積 A，長度L，底部掛了重物 r = 0.5cm A = 8×10^(-5) 平方公尺 L = 1m 底部掛重 M = 500kg , F = 5000 N delta L = F L / A y 鋼鐵的 y = 20 x 10^(10) F x L / A = 6.4 x 10^7 算出 delta L = 0.3 mm 想想看，一根 1 cm 粗，長度 1 m 的鋼棒，掛上500 kg 重物，只會變長 0.3 mm !!!人的肉眼甚至無法察覺阿！！那假設換成尼龍繩，伸長量會變成多少？尼龍的 y 比鋼的小 55 倍，伸長量會變成 55 倍，算出的伸長量 17 mm，這肉眼就能看到了。鋼是很硬的，例如 Cetacea 的伸縮扣就是採用鋼索製成，外面包覆布料，可以確保不易斷裂或被水下尖銳的岩石或珊瑚礁等割斷。再來看看虎克定律： F = -k delta L k = y A/ L 所以如果要影響 k，可以改變彈簧的材料、長度和截面積。要下大深度，就要更換彈簧，不然會彈不起來，例如奧地利的 Subal 防水殼，就有 120m 大深度的版本可以選購，其中就是從按鍵彈簧的材料、截面積和長度下手，去改變彈簧的 k。而如果要帶大尺寸的半球面玻璃鏡頭罩下超過 120m，不選用藍寶石玻璃的話風險比較大，不然就是得用 4.33〃的玻璃。只是藍寶石玻璃造價比一般的光學玻璃高，所以要下超過 150m 又要拍照對於一般人來說，是很艱困的任務（不管是對人體、潛水設備、水攝裝備來說，都是嚴苛的考驗），也很少人會這麼做。結論：建議一般休閒潛水可以用壓克力、聚縮醛或是鋁合金殼，鏡頭罩可用壓克力或玻璃技術潛水建議用鋁合金殼和玻璃鏡頭罩要下超過 75m-150m，得選用大深度版本的鋁合金防水殼按鍵和鏡頭罩要下更深，可能得選用鈦合金+藍寶石玻璃，這已屬於水下工程或軍事用途，一般人潛水不會下那麼深。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 27.47.8.17 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/DivingSport/M.1440572240.A.A5F.html