Влияние внедренного оптоволокна на внутреннюю структуру полимерного композиционного материала

Авторы

  • Н.А. Кошелева Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Г.С. Сероваев Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.5

Ключевые слова:

полимерный композиционный материал, оптическое волокно, волоконно-оптические датчики деформации, микроструктура, смоляной карман

Аннотация

В работе исследуются образцы из полимерных композиционных материалов с внедренными оптическими волокнами. Диаметр оптического волокна сопоставим с толщиной слоя композитного материала и при внедрении возможно искажение внутренней структуры исходного материала в окрестности оптоволокна, а следовательно, формирование технологических дефектов, представляющих опасность для целостности материала. В исследовании получены микроснимки поперечных сечений для разных типов композитных материалов в окрестности внедренного оптического волокна. Для однонаправленного композитного материала подтверждено формирование смоляного кармана при внедрении оптического волокна перпендикулярно направлению армирующих волокон и его отсутствие при внедрении оптического волокна параллельно направлению укладки армирующих волокон. Анализ снимков тканых полимерных композиционных материалов с саржевым переплетением не выявил существенных искажений внутренней структуры материала. Даны рекомендации по предварительной обработке (полировке) поверхностей образцов из стекла и углепластика. В отличие от известных результатов о существенном влиянии схемы укладки слоев на эффективность встраивания оптических волокон в композитные материалы, полученные в настоящем исследовании данные свидетельствуют также о влиянии материала армирующих волокон и типа армирования на качество встраивания оптических волокон. Данные факторы следует учитывать при проектировании и создании конструкций с внедренными волоконно-оптическими датчиками.

Поддерживающие организации
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта РФФИ №17-41-590684 р_урал_а) «Моделирование влияния на механические характеристики СМАРТ -материалов встроенных актуаторов из пьезоматериалов и оптических волокон»

Биографии авторов

  • Н.А. Кошелева, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    кандидат технических наук, научный сотрудник
  • Г.С. Сероваев, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Roberts S.S.J., Davidson R. Mechanical properties of composite materials containing embedded fiber-optic sensors // Fiber Optic Smart Structures and Skins IV. - 1991. - Vol. 1588. - P. 326-341.
  2. Hadzic R., John S., Herszberg I. Structural integrity analysis of embedded optical fibre in composite structures // Composite Structures.- 1999. - Vol. 47. - № 1-4. - P. 759-765.
  3. Jensen D.W., Pascual J., August J.A. Performance of graphite/bismaleimide laminates with embedded optical fibers. I. Uniaxial tension // Smart Materials and Structures.- 1992. - Vol. 1. - № 1. - P. 24-30.
  4. Surgeon M., Wevers M. Static and dynamic testing of a quasi-isotropic composite with embedded optical fibres // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing.- 1999. - Vol. 30. - № 3. - P. 317-324.
  5. Lee D.C., Lee J.J., Yun S.J. The mechanical characteristics of smart composite structures with embedded optical fiber sensors // Composite Structures.- 1995. - Vol. 32. - № 1-4. - P. 39-50.
  6. Silva J.M.A., Devezas T.C., Silva A.P., Ferreira J.A.M. Mechanical Characterization of Composites with Embedded Optical Fibers // J. Compos. Mater. - 2005. - Vol. 39. - № 14. - P. 1261-1281.
  7. Dasgupta A., Wan Y., Sirkis J.S. Prediction of resin pocket geometry for stress analysis of optical fibers embedded in laminated composites // Smart Materials and Structures.- 1992. - Vol. 1. - № 2. - P. 101-107.
  8. Lammens N., Luyckx G., Voet E., Van Paepegem W., Degrieck J. Finite element prediction of resin pocket geometry around embedded optical fiber sensors in prepreg composites // Composite Structures.- 2015. - Vol. 132. - P. 825-832.
  9. Lammens N., Luyckx G., Van Paepegem W., Degrieck J. Finite element prediction of resin pocket geometries around arbitrary inclusions in composites: Case study for an embedded optical fiber interrogator // Composite Structures.- 2016. - Vol. 146. - P. 95-107.
  10. Shivakumar K., Emmanwori L. Mechanics of failure of composite laminates with an embedded fiber optic sensor // Journal of Composite Materials.- 2004. - Vol. 38. - № 8. - P. 669-680.
  11. Al-Shawk A., Tanabi H., Sabuncuoglu B. Investigation of stress distributions in the resin rich region and failure behavior in glass fiber composites with microvascular channels under tensile loading // Composite Structures.- 2018. - Vol. 192. - P. 101-114.
  12. Singh H., Sirkis J.S., Dasgupta A. Microinteraction of optical fibers embedded in laminated composites // Fiber Optic Smart Structures and Skins IV. - 1991. - Vol. - 1588. - № 1 - 991 - P. 76-85.
  13. Czarnek R., Guo Y.F., Bennett K.D., Claus R.O. Interferometric Measurements Of Strain Concentrations Induced By An Optical Fiber Embedded In A Fiber Reinforced Composite // Fiber Optic Smart Structures and Skins. - 1989. - Vol. 0986. - P. 43.
  14. Voet E., Luyckx G., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: II. Experimental validation // Smart Materials and Structures.- 2010. - Vol. 19. - № 10. - P. 105018.
  15. Wagreich R.B., Atia W.A., Singh H., Sirkis J.S. Effects of diametric load on fibre Bragg gratings fabricated in low birefringent fibre // Electronics Letters. - 1996. - Vol. 32. - № 13. - P. 1223.
  16. Udd E. Review of multi-parameter fiber grating sensors // Fiber Optic Sensors and Applications V. - 2007. - Vol. 6770. - P. 677002.
  17. Gafsi R., El-Sherif M.A. Analysis of Induced-Birefringence Effects on Fiber Bragg Gratings // Optical Fiber Technology.- 2000. - Vol. 6. - P. 299-323.
  18. Emmons M.C., Carman G.P., Mohanchandra K.P., Richards W.L. Characterization and birefringence effect on embedded optical fiber Bragg gratings // Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2009. - 2009. - Vol. 7295. - № March. - P. 72950C.
  19. Peters K., Pattis P., Botsis J., Giaccari P. Experimental verification of response of embedded optical fiber Bragg grating sensors in non-homogeneous strain fields // Optics and Lasers in Engineering.- 2000. - Vol. 33. - № 2. - P. 107-119.
  20. Peters K., Studer M., Botsis J. [et al] Embedded optical fiber Bragg grating sensor in a nonuniform strain field: Measurements and simulations // Experimental Mechanics. - 2001. - Vol. 41. - № 1. - P. 19-28.
  21. Huang S., Ohn M. M., LeBlanc M., Measures R.M. Continuous arbitrary strain profile measurements with fiber Bragg gratings // Smart Materials and Structures.- 1998. - Vol. 7. - № 2. - P. 248-256.
  22. Makhsidov, V., Fedotov, M., Shiyonok, A., Zuev M. For an issue of embedded optical fibre in CFRP and strain measurement with fibre Bragg gratings sensors // FSUE «All-Russian Scientific-Research Institute of Aviation Materials». - 2014. - Vol. 20. - № 4. - P. 568-574.
  23. Majumder M. [et al] Fibre Bragg gratings in structural health monitoring-Present status and applications // Sensors and Actuators A: Physical.- 2008. - Vol. 147. - № 1. - P. 150-164.
  24. Gebremichael Y.M., Li W., Boyle W.J.O. [et al] Integration and assessment of fibre Bragg grating sensors in an all-fibre reinforced polymer composite road bridge // Sensors and Actuators A: Physical.- 2005. - Vol. 118. - № 1. - P. 78-85.
  25. Matveenko V.P., Shardakov I.N., Voronkov A.A. [et al] Measurement of strains by optical fiber Bragg grating sensors embedded into polymer composite material // Structural Control and Health Monitoring. - 2018. - Vol. 25. - № 3. - P. e2118.
  26. Di Sante R. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications // Sensors. - 2015. - Vol. 15. - № 8. - P. 18666-18713.
  27. Matveenko V.P., Kosheleva N.A., Shardakov I.N., Voronkov A.A. Temperature and strain registration by fibre-optic strain sensor in the polymer composite materials manufacturing // International Journal of Smart and Nano Materials. - 2018. - Vol. 9. - № 2. - P. 99-110.

Загрузки

Опубликован

2021-04-30

Выпуск

№ 1 (2021)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Кошелева, Н., & Сероваев, Г. (2021). Влияние внедренного оптоволокна на внутреннюю структуру полимерного композиционного материала. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 1, 54-63. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.5