光纤光栅传感器应用于复合材料损伤监测的研究

【摘要】：复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性,已用于建筑材料、汽车、高铁、航空航天等领域。然而由于厚度方向没有增强体,所以复合材料对损伤非常敏感。高效的无损检测技术对于复合材料结构损伤检查和持续监测有重要意义。将光纤光栅传感器(FBG)内置于复合材料结构中,可以实现复合材料结构的实时健康监测,同时具有成本低、不受电磁干扰、能监测结构内部变化等特点,是复合材料结构无损检测技术的重要发展趋势。研究FBG传感器埋入复合材料结构并对于复合材料结构进行监测具有非常重要的意义。 本文对热压罐成型时埋入复合材料的光纤的引出及保护方式进行了研究,针对热压罐成型工艺研究了端面引出和表面引出两种引出方式,解决了光纤引出保护问题。采用光学显微镜及扫描电镜对埋入光纤后的复合材料截面进行观察。通过对埋入光纤的碳纤维复合材料进行静态力学性能测试,结果表明光纤埋入后对复合材料的拉伸和弯曲性能有一定影响。光纤直径对复合材料的力学性能也有一定影响,随着光纤直径的减小,其对复合材料的力学性能的影响也较小。光纤埋入复合材料的厚度位置不同,其对复合材料的弯曲性能影响也不同。光纤埋入的位置越靠近中心层位置,对复合材料的弯曲强度影响越大。 对埋入光纤光栅传感器后的碳纤维/环氧树脂复合材料进行拉伸性能测试,结果显示FBG传感器可以准确反映材料内部应变的变化趋势。将光纤光栅传感器分别粘贴和埋入复合材料进行拉伸测试,观察应变-波长变化关系,结果表明粘贴在表面的光纤光栅传感器波长漂移量更大,说明其灵敏度要大于埋在内部的光纤光栅传感器。同时将光纤光栅传感器埋入碳纤维复合材料不同铺层位置,发现当其埋在90°铺层时,其灵敏度最大。 对埋入光纤光栅传感器的碳纤维/环氧树脂复合材料分别进行正常拉伸实验和开孔拉伸实验。通过光谱仪观察到的反射光谱图,发现开孔拉伸时,光栅的反射光谱图会发生波形变化,产生多峰的现象,而正常拉伸只会出现波长漂移,通过试验对比可以发现当复合材料内部在光栅附近发生分层或者断裂时,光栅可以监测出其损伤。