| 单词 | 具有光纤神经系统的新颖复合材料结构 |
| 释义 | 【具有光纤神经系统的新颖复合材料结构】 复合材料在工业中正得到越来越广泛的应用，由于它的高比强度、高疲劳强度、耐腐蚀性和刚性及热膨胀的可调整性，易于构成复杂形状，因此复合材料在航空航天技术中具有特别广阔的应用前景。 将各种光纤传感系统埋置于复合材料中构成新颖复合材料结构，为航空复合材料的性能研究、状态的实时监控和检测开拓极为光辉的前景。埋设光纤系统的新颖复合材料不仅能在复合材料的生产过程中实时监控复合材料的状态、控制和保证产品的质量，更重要的是能在飞行器上实时检测结构的应变和温度、监控结构是否过载、检测材料内部的损伤及其部位，通过计算机系统监控整个飞行器结构的完整性和可靠性。因此复合材料内部的光纤传感系统实际上形成了构件内在的“神经网络系统”。加拿大Glossop等对光纤复合材料性能的影响做了大量试验研究。将直径为125μm的光纤埋设于Kevlar／epoxy复合材料板中，试验表明，材料的极限拉伸和压缩强度均不会因内部存在光纤而减弱。事实上，复合材料的层间断裂刚度还会因此而有一定程度的增加。在Carbon／epoxy复合材料情况下，如将直径为125μm(去掉保护层后)的光纤平行于碳纤维埋设于材料中，对材料不产生任何影响。而当光纤垂直于碳纤维埋设时，在材料固化后会在光纤四周产生树脂空隙，从而使应力集中增加，这种树脂空隙的产生在光纤不去掉保护层时还会更加严重。因此在碳纤维复合材料中如要埋设光纤时，必须考虑光纤直径、光纤保护层以及埋设方向等因素的影响。复合材料内部的应变和变形测试是研究复合材料性能必不可少的。由于光纤能埋设于复合材料内形成整体结构，而且它没有电磁场的干扰，也不会对结构产生附加热量，因而利用复合材料内的光纤传感器来测试复合材料内的应变和变形较之采用电阻应变片等传统方法具有无可争辨的优越性。干涉型光纤传感器被许多研究者用来研究复合材料的应变。1988年Sirkis等首次将光纤Mach-Zehnder干涉仪固连到悬臂梁上，光纤的敏感部分成S形，干涉仪的参考臂成圆形。在此方案中采用两个光电二极管来进行条纹计数，以实现应变方向的判别。Lee等证明可采用端头有熔合接头的单根光纤Fabry-Perot干涉传感器埋设于复合材料结构内来检测内部应变。1989年Valis等将Michelson光纤应变仪埋设于热塑性塑料(Carbon／PEEK)构成的悬臂梁中，试验表明条纹计数和载荷所引起的应变之间具有极好的线性关系。1988年Waite等将偏振术光纤传感器埋设于玻璃纤维强型塑料复合材料试件中来检测应变。在该实验方案中，由激光器发出的线偏振光通过半波片以相对于本征轴45°射入保偏振光纤。在光纤的输出端采用另一个半波片，使光纤的本征模以45°入射至偏振分束器，采用两个光电探测器监控当载荷施加于试件上时的条纹对比度。1988年Measures等研制了类似于电阻应变片花的光纤应变片花来测试二维应变场。1989年Valis等构成了由3个Michelson干涉仪组成的应变片花，其所测得的结果与电阻应变片花测得的结果相符，在此基础上目前正在将该光纤应变片花埋设于Carbon／PEEK热塑性复合材料中进行应变测试。复合材料的唯一弱点是其环氧基体的冲击韧性较差，易于产生层间脱层。这类损伤在受到较低能量冲击时就会产生，例如飞机在机场跑道上受到碎石的冲击，在飞行中与飞鸟或冰雹的碰撞等。而且一旦损伤产生，损伤的区域还会在周期性的应力下不断扩大。因此，在航空复合材料的制造和飞行过程中实时地检测和监控这类损伤是极为重要的。将光纤网络系统埋置于复合材料中能非常有效地检测材料内部的损伤，这种新技术能用来检测冲击的位置、脱层和微裂的位置、内部损伤的发展以及对疲劳实现告警等。航空上广泛应用的Kevlar／epoxy复合材料具有半透明的特性，能很方便地通过观察光纤断裂处光的泄漏来检测材料内部的损伤和部位。此外，光纤在这类复合材料内部的位置，也可事先用照相机记录下来，这是因为复合材料内多模光纤表面的涂层很薄，透过材料能很清楚地看到光纤光路的轨迹。在此基础上，国外发展了一种更直观有效的所谓“图像增强反向照明”技术(Image enhanced backlighting)，这种技术借助于对复合材料板的反向照明以及视频摄像机(CCD camera)和图像处理方法，来清楚地测绘并记录由冲击或载荷而引起的损伤情况。国外已采用这项技术成功地检测了厚度达32层的kerlar／epoxy板的脱层情况。提高检测灵敏度是利用光纤系统检测复合材料内部损伤的一个技术难点，近年来通过大量的试验已得到满意的解决，归纳起来主要是以下两方面：(1)在埋设光纤网络时，应使光纤走向与相邻复合材料层的增强纤维(碳纤维或玻璃纤维)方向垂直，这时能保证最大的损伤检测灵敏度；(2)在埋设光纤前，应采用化学方法将光纤外的保护涂层去掉，以大大增加检测灵敏度。加拿大多伦多大学及波音(Beeing-deHavlland Canada)于1989年制造了世界上第1个前缘带有光纤损伤检测系统的复合材料机翼，在该机翼前缘中包含有250根光的光纤列阵，观察光的漏光点，再结合“图像增强反向照明技术”，非常成功地检测了在冲击载荷下形成的脱层损伤。具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的制造工艺问题是这项新技术当前存在的主要技术难点，主要表现在：当光纤垂直于复合材料增强纤维埋设时，在光纤四周材料纤维会有拱桥现象；由于光纤极细，在制造过程及装运过程中，光纤在复合材料的出口处易于折断，因此必须采取措施加以细心保护；应采取有效措施防止在复合材料压制过程中树脂渗出，而造成外部光纤相互交叉粘连；由于在复合材料外围有许多光纤引出，给复合材料的成形修整带来困难。以上这些制造工艺上的难题，正在逐步加以研究解决。例如在压制过程中采用专门的折压机(doubler)平行于光纤运行，以减少拱桥现象等；具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的制造工艺问题尽管在国外已作了许多工作，但仍是待研究解决的难题之一。综上所述，光纤传感系统成为复合材料结构中的一个重要组成部分，它起到了材料结构中“神经网络系统”的重要作用。这种新颖复合材料结构是在光纤传感技术高度发展的基础上发展起来的一项新兴技术和学科。随着微型集成光学器件和接口的发展，它将会在航空航天技术中得到广泛的应用。(信息工程部向永江撰) |
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