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《南京航空航天大学》 2017年
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基于智能结构仿生自修复的多功能液芯光纤关键技术研究

沈令斌  
【摘要】:随着科技的迅速发展,新材料的开发、机器设备寿命的延长以及仿生智能的引入对材料结构的安全可靠性提出了更高的要求,而复合材料的“智能化”是21世纪材料领域的一个非常重要研究的方向,复合材料结构损伤快速自修复是实现复合材料结构智能化急待解决的技术关键。因此,关于复合材料结构仿生自修复研究具有重要的科学意义和应用价值。本文围绕复合材料智能结构损伤自修复的关键问题和前沿研究,开展基于复合材料智能结构仿生自修复的多功能液芯光纤关键技术研究。论文主要研究内容和创新工作如下:(1)多功能(同时具有传感和修复功能)液芯光纤纤芯材料的研制机理及其性能研究。围绕纤芯材料的构成机理及其光谱特性、折射率、黏度、光固化速率以及固化后的硬度和对复合材料的附着力等性能问题,通过大量的实验研究,研制出一种在短波光源的辐射下能够固化的纤芯材料,而且该材料具有固化速率快、黏度低、硬度较大、附着力好等性能优点,为多功能液芯光纤的研制创造了前提条件。(2)多功能液芯光纤结构设计与传光机理及其特性研究。围绕液芯光纤的结构设计和传光机理等关键问题,研制了一种以光固化材料为纤芯、石英材料为包层、聚合物光纤作为光窗的特殊结构的液芯光纤。同时对液芯光纤的传光机理进行理论分析,并测定了多功能液芯光纤的衰减系数;针对液芯光纤的传感特性,提出一种在液芯光纤承载前后纤芯中光通量变化的研究方法,并对液芯光纤的承载性能进行实验研究。研究结果表明,当加载的微位移在20-40μm之间时,液芯光纤的输出功率和微位移之间近似线性相关,该部分研究结果为液芯光纤作为传感元件应用在复合材料智能结构损伤监测中提供理论和实验依据。(3)基于多功能液芯光纤的复合材料板型结构损伤自修复研究。围绕液芯光纤的自修复功能问题,论文对复合材料板型结构的损伤仿生自修复进行研究。首先研制出一种光纤涂覆层,起到保护和增韧液芯光纤的作用;然后通过分析复合材料板型结构对修复光源的透过率确定液芯光纤的可埋入深度,并采用三点弯曲法对多功能液芯光纤的埋入对复合材料板型结构的弯曲性能影响进行研究,进而分析复合材料板型结构的裂纹扩展方式;最后对复合材料板型结构损伤自修复性能进行研究。研究结果表明,在复合材料板型结构发生损伤后,经过涂覆层处理的液芯光纤能够及时破裂并释放出修复剂,在修复光源的辐射下完成自修复,损伤修复后,弯曲强度恢复到原来的65%,且修复后的液芯光纤仍具有一定的传感功能,为液芯光纤作为修复元件在典型复合材料智能结构中的应用提供了坚实的实验基础。(4)基于多功能液芯光纤的典型复合材料智能结构损伤监控系统及方法。论文设计了一种基于ARM的典型复合材料智能结构损伤状态的远程监测系统,该系统结合光纤传感、光电检测、嵌入式以及无线通信等技术;针对复合材料智能结构的损伤定位问题,提出应用支持向量机算法,实现了典型复合材料智能结构的承载定位;针对如何实现将修复光源的光能及时输送到复合材料结构损伤处的关键技术问题,论文在损伤裂纹的大小以及修复光源开合的时间上引入模糊的概念,提出一种基于模糊控制算法的典型复合材料结构损伤仿生自修复方法,实现了修复光源高效能的使用并且实现了复合材料智能结构的损伤自修复。研究结果表明,设计的远程监控系统与方法所需成本较低,而且克服了区域、时间等条件的限制,具有非常重要的理论参考和实际应用价值。(5)多功能液芯光纤在典型复合材料智能结构中的应用研究。围绕多功能液芯光纤在典型复合材料智能结构损伤自修复中的应用问题,以及为了验证所设计的监控系统和提出的定位与损伤自修复方法的有效性,论文对埋入多功能液芯光纤的典型复合材料智能结构进行实验研究。研究结果表明,设计的监控系统和提出的定位和自修复方法能够完成典型复合材料智能结构损伤定位和仿生自修复,而且多功能液芯光纤及其复合材料智能结构在理论上可以实现多次损伤自修复。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253

【参考文献】
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