水攝器材材料的選用 - 潛水運動討論

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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。

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