Волоконно-оптические датчики активно используют в мире для определения деформаций на поверхности конструкций, например, при мониторинге зданий, ангаров и мостов. Благодаря научному сообществу скоро будет возможно и внутри изделий контролировать дефектообразование с помощью оптоволокна. Сейчас изучается возможность их внедрения в композиционные материалы. Однако здесь важно учитывать специфику изготовления деталей из композитов и характеристики самих приборов. Сегодня на производстве не оценивают технологические деформации изделий таким способом. Ученые ПНИПУ предлагают внедрять волоконно-оптические датчики внутрь полимерной композиционной конструкции и получать данные о нарушениях, сохраняя при этом все эксплуатационные свойства. Такой способ позволит предсказывать возможное разрушение детали в процессе ее создания.
Схема внедрения волоконно-оптических датчиков в полимерные композиционные материалы / © Пресс-служба ПНИПУ
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника». Результаты получены при выполнении государственного задания Минобрнауки России на выполнение фундаментальных научных исследований.
Композиционные материалы состоят из двух или более различных компонентов, которые при объединении образуют совершенно новый материал с уникальными свойствами. Они используются практически во всех отраслях промышленности для изготовления корпусов самолетов, рулей, деталей кузова, медицинских протезов, оконных рам, различных покрытий. При производстве композита в него можно внедрить волоконно-оптические датчики и так контролировать весь процесс изготовления изделия, отслеживать малейшие внутренние нарушения.
Контроль технологических деформаций в материале повысит качество изготовления композитных изделий и снизит вероятность дефектообразования. Сейчас вопрос такого внедрения оптоволокна рассматривается лишь на уровне лабораторных исследований. Ученые ПНИПУ предложили регистрировать технологические деформации в материале с помощью внедренных в его структуру датчиков на основе волоконных брэгговских решеток.
В основе работы таких приборов лежит распространяющаяся световая волна. Ее свойства изменяются вместе с измеряемой физической величиной. Брэгговские решетки находятся в сердцевине оптоволокна. Они отражают световой сигнал, длина волны которого смещается вместе с изменением температуры, напряжения или деформации. Измерение этой зависимости позволит регистрировать нарушения внутри изделия.
Важный аспект изготовления композита – контроль его напряжений, из-за которых образуются деформации. Волоконно-оптические датчики, внедренные в структуру композита, могут зафиксировать возникающие напряжения в полимерной матрице (основе композита) за счет своих малых габаритов и высокой чувствительности.
Политехники фиксировали технологические деформации с помощью устройства интеррогатора. Он генерирует и передает по оптическому волокну световой сигнал. В ходе эксперимента в композиционный материал на глубину 15 миллиметров ученые внедрили два датчика: для контроля температуры и деформаций.
«В результате мы зафиксировали нарушения на уровне 0,10073 и 0,07156 процентов, что может существенно повлиять на образование пор, расслоений и других дефектов в материале. Это малые деформации, однако даже они могут привести к тому, что деталь будет создана или с браком, или сломается в процессе эксплуатации», – объясняет кандидат технических наук, директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы ПНИПУ Глеб Шипунов.
Исследования, проведенные учеными Пермского Политеха, доказали, что волоконно-оптические датчики позволяют с высокой точностью контролировать технологические напряжения и деформации, возникающие в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. Реализованная идея уникальна, с применением такой технологии на производстве контролировать нарушения в композитах будет проще и эффективнее.
