Оптоволоконные датчики ученых ПНИПУ увидят дефекты еще при создании деталей
Предложение по внедрению волоконно-оптических датчиков внутрь полимерной композиционной конструкции на этапе ее изготовления, чтобы получать данные о нарушениях в структуре композита, сделали по результатам проведенного исследования ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 26 февраля сообщает пресс-служба вуза.
Результаты проделанной работы специалисты Пермского Политеха представили в статье «Исследование технологических деформаций в полимерном композиционном материале с применением волоконно-оптических датчиков», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» № 75, 2023 год.
Мониторинг состояния конструкций зданий, ангаров и мостов в настоящее время часто ведется с помощью волоконно-оптических датчиков. Но исследование, проведенное в ПНИПУ, позволит контролировать дефектообразование с помощью оптоволокна и внутри изделий и даже в процессе их изготовления.
В настоящее время ученые изучают способы внедрения таких датчиков в композиционные материалы при сохранении всех эксплуатационных свойств изготавливаемых изделий. При этом важно учесть как технологию изготовления деталей из композитов, так и характеристики самих приборов. На данный момент возможность оценивать технологические деформации изделий таким способом еще никем не была реализована.
Композиционные материалы получили свое название потому, что они состоят из двух или более различных компонентов, при объединении которых образуется новый материал с уникальными свойствами. Сфера их использования очень широка и охватывает практически все отрасли промышленности.
Из композитов изготавливают корпуса самолетов, детали кузовов транспортных средств, медицинские протезы, оконные рамы, различные упрочняющие покрытия. Если при производстве композита в него можно внедрить волоконно-оптические датчики и так контролировать в процессе изготовления изделия малейшие внутренние нарушения, это повысит качество ответственных композитных изделий и снизит вероятность появления дефектов.
Ученые ПНИПУ решили использовать в качестве таких датчиков устройства на основе волоконных брэгговских решеток. Работа таких приборов основана на распространяющейся световой волне, свойства которой изменяются вместе с измеряемой физической величиной.
Брэгговские решетки, разновидности дифракционной решетки, располагаются в сердцевине оптоволокна. У отраженного ими светового сигнала длина волны смещается от изменения температуры, возникшего напряжения или деформации. Измерение этого смещения позволит регистрировать нарушения структуры композита внутри изделия, приводящие к напряжениям. Именно возникновение напряжений приводит к развитию деформаций.
Внедренные в структуру композита за счет своих малых габаритов высокочувствительные оптоволоконные датчики зафиксируют напряжения, возникающие в основе композита — полимерной матрице, и помогут предотвратить изготовление бракованного изделия или же последующую возможную поломку его в процессе эксплуатации.
Фиксацию технологических деформаций в композите с оптоволоконным датчиком специалисты ПНИПУ производили с помощью интеррогатора Micron Optics — оптического регистрирующего блока, основным элементом которого является стабильный узкополосный перестраиваемый лазер. Этот лазер посылает по оптическому волокну световой сигнал.
В эксперименте для проверки предложенной концепции исследователи внедрили в композиционный материал на глубину 15 мм два датчика, один для контроля температуры, второй — деформации.
Директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы ПНИПУ кандидат технических наук Глеб Шипунов рассказал о результатах исследования:
«В результате мы зафиксировали нарушения на уровне 0,10073 и 0,07156%, 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».
Выполненные учеными ПНИПУ исследования доказали возможность использования волоконно-оптических датчиков для высокоточного контроля технологических напряжений и деформаций, возникающих в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.
Реализованная ими идея уникальна, применение на производстве такой технологии упростит контроль нарушений в структуре композита и сделает его намного эффективнее, отметили разработчики.
