空心光纤用于智能结构自诊断、自修复的研究

【摘要】： 在复合材料的应用中，损伤监测与修复是两大难题。光纤是最早应用于结构检测 的元件之一，光纤传感器已广泛应用于测量应力、温度以及化学变化等。在智能结构 中，埋入光纤及其传感网络的复合材料具有自诊断与自修复的功能。 研制用于智能结构的空心光纤为本文首创，并对其进行了应用基础研究。此外， 设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统用于检测复合材料损伤程度与位置以 及对损伤处进行自修复等。在复合材料中，还埋入了形状记忆合金（SMA）丝以提高 复合材料的强度、安全和可靠性。该系统在航海、建筑、民用设施以及航空航天等具 有潜在的应用价值。 本文首先介绍了空心光纤的制作及其应用研究。根据普通光纤理论适用于空心光 纤的论断，对空心光纤传感机理进行了较详细的探讨，并对空心光纤传输光功率作了 理论上的分析与探索。理论分析与性能测试表明，空心光纤不仅可以作为传感元件， 而且还具有传输修复材料用的胶液等功能。 本文对埋入式空心光纤与复合材料相互间性能的影响进行了详细分析和研究，并 对热固型纤维增强树脂基复合材料埋入与不埋入空心光纤的力学性能进行了对比实 验。测试数据表明，在空心光纤占复合材料的体积比小于0.3％的条件下，空心光纤 对复合材料的性能影响较小，不影响其在工程中的使用。 在上述研究的前提下，开展了空心光纤用于复合材料自诊断方面的研究。运用测 量光纤衰减特性的剪断法进行了复合材料断裂位置检测的研究，并介绍了Y型耦合器 在断裂位置研究中的实用性。另外，利用埋入复合材料的5×5空心光纤传感网络来 监测复合材料的损伤程度，并用它来检测复合材料损伤的位置。 在自诊断研究的基础上，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研 究，研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料。实验表明，修复后的纸蜂窝复合材 料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破坏的情况下，经修复后， 材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。 最后，研制了光纤智能结构自诊断、自修复的测试系统。 本文的主要创新点： 1）研制出多种型号的空心光纤，并对其进行了性能和应用基础的研究； 2）推导出空心光纤的几何光学理论及其电磁场理论，并系统地分析了空心光纤的传 输损耗，推导出传输光功率与空心光纤本身参数之间的函数关系等； 3）将剪断法引入到空心光纤中来精确测量复合材料断裂的位置； 4）在智能结构自修复中提出并采用空心光纤注胶的方法，并进行了系统研究。