長距離道路結(jié)構(gòu)多介質(zhì)層的全尺度光纖智能監(jiān)測

針對長距離多層介質(zhì)道路結(jié)構(gòu)對大規(guī)模分布式復(fù)雜應(yīng)力測試手段和損傷演化規(guī)律研究的客觀需求,課題組開發(fā)了多種適用于柔性道路結(jié)構(gòu)現(xiàn)場布設(shè)的傳感器，以用于長期的應(yīng)變、曲率及損傷監(jiān)測。通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場布設(shè)驗(yàn)證了各種傳感器性能。發(fā)展了光纖傳感器整體性態(tài)與局部高精度測試的共線方法，開發(fā)了傳感器自愈合系統(tǒng)。根據(jù)本項(xiàng)目提出的光纖傳感元件柔性鎧裝封裝方法，課題組在實(shí)驗(yàn)室分別制作了基于光纖光柵傳感元件的準(zhǔn)分布式應(yīng)變測量傳感器和基于BOTDR技術(shù)的分布式應(yīng)變測試傳感器，除了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各種性能試驗(yàn)外，還專門鋪筑了十幾米長的實(shí)驗(yàn)路，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)傳感器的實(shí)用效果。所埋設(shè)的傳感器能很好的測試各層的溫度變化，溫縮效應(yīng)以及降雨引起的材料不均勻收縮,且有很高的成活率。針對分布式傳感器，專門制作了水泥穩(wěn)定試塊，實(shí)驗(yàn)證明所開發(fā)的分布式傳感器能有效的感知開裂，且能反映開裂位置和程度。彌補(bǔ)了瀝青路面水泥穩(wěn)定基層開裂監(jiān)測測試手段的空白。 由于感知元件光纖的材料特征，裸光纖在施工過程中易彎折或被剪斷，因此，封裝保護(hù)處理是光纖在工程應(yīng)用中必不可少的一個(gè)步驟。封裝層的存在，使得部分基體應(yīng)變在傳遞到光纖的過程中被消耗，因此，光纖感知應(yīng)變通常不能完全代表基體的真實(shí)應(yīng)變。為消除這種應(yīng)變傳遞誤差，本項(xiàng)目對該問題進(jìn)行了應(yīng)變傳遞理論分析。引入Goodman假設(shè)代替剪力秩模型來描述層間剪應(yīng)力關(guān)系。在研究中通過建立一個(gè)典型三層力學(xué)模型進(jìn)行分析,模型中考慮了基體和封裝層的粘彈性特征。而后又對基體有裂縫的應(yīng)變傳遞關(guān)系進(jìn)行了理論研究。 結(jié)合重慶環(huán)道實(shí)驗(yàn)路的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目考慮瀝青路面材料的拉壓不同性特征，發(fā)展了三軸摩爾庫倫理論，將其引入路面結(jié)構(gòu)分析的強(qiáng)度理論修正中?；谏鲜隼碚?，本項(xiàng)目還提出一種瀝青路面結(jié)構(gòu)車轍變形的預(yù)測公式，并基于并行演化算法開發(fā)了路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和相應(yīng)的計(jì)算軟件。通過以重慶環(huán)道實(shí)際的三種路面結(jié)構(gòu)組合為算例，證明了該程序的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測路面響應(yīng)數(shù)據(jù)接近，也就證明了本項(xiàng)目所提方法的有效性。 2100433B

針對長距離多層介質(zhì)道路結(jié)構(gòu)對大規(guī)模分布式復(fù)雜應(yīng)力測試手段和損傷演化規(guī)律研究的客觀需求，提出道路結(jié)構(gòu)多介質(zhì)層的全尺度光纖智能監(jiān)測方法，發(fā)展與柔性道路結(jié)構(gòu)應(yīng)變協(xié)調(diào)的低模量光纖傳感元件封裝方法與誤差修正，以及兼顧長距離結(jié)構(gòu)整體性態(tài)和局部高精度測試的光纖傳感共線方法；基于全尺度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)研究道路結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律；最后，利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)修正道路結(jié)構(gòu)理論模型，優(yōu)化道路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。..通過上述研究，發(fā)展一套道路結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)的全尺度光纖智能監(jiān)測方法和技術(shù)，并提供相應(yīng)的器件。

鐵電、鐵磁材料以及多鐵性材料是智能材料的代表。這類材料本身在力磁電熱之間的功能轉(zhuǎn)換，以及其應(yīng)用的多場耦合工作環(huán)境，都仰賴于多場加載下微結(jié)構(gòu)和性能的動態(tài)演化過程。迄今為止，對智能材料的研究通常囿于局域的微觀模式或孤立的宏觀模式，缺乏將微觀和宏觀研究有機(jī)結(jié)合起來的多場耦合、動態(tài)和跨尺度的研究。. 本項(xiàng)目的目標(biāo)是發(fā)展智能材料實(shí)驗(yàn)力學(xué)技術(shù)與方法，研制一臺具備多物理場加載，并賦有從微米到納米尺度結(jié)構(gòu)觀測和性能表征的儀器。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)力磁電熱場的組合加載,從而有效表征智能材料和器件的不同服役條件；同時(shí)還能夠完成對智能材料在多場加載條件下從微米到納米尺度的形貌、結(jié)構(gòu)和性能分析研究。本實(shí)驗(yàn)技術(shù)與儀器項(xiàng)目申請集設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新與關(guān)鍵核心技術(shù)的突破于一體，對于發(fā)展智能材料微納米表征的新技術(shù)和新方法，促進(jìn)智能材料多場耦合力學(xué)具有科學(xué)意義，對于新型智能材料與器件的設(shè)計(jì)與研制具有重要的應(yīng)用意義。

本項(xiàng)目發(fā)展智能材料實(shí)驗(yàn)力學(xué)技術(shù)與方法，研制了一臺具備多物理場加載，并賦有從微米到納米尺度結(jié)構(gòu)觀測和性能表征的儀器。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)力磁電熱場的組合加載,從而有效表征智能材料和器件的不同服役條件；同時(shí)還能夠完成對智能材料在多場加載條件下從微米到納米尺度的形貌、結(jié)構(gòu)和性能分析研究。本實(shí)驗(yàn)技術(shù)與儀器項(xiàng)目申請集設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新與關(guān)鍵核心技術(shù)的突破于一體，對于發(fā)展智能材料微納米表征的新技術(shù)和新方法，促進(jìn)智能材料多場耦合力學(xué)具有科學(xué)意義，對于新型智能材料與器件的設(shè)計(jì)與研制具有重要的應(yīng)用意義。 在研制的智能材料多場多尺度分析儀器基礎(chǔ)上，利用研制儀器對磁電復(fù)合材料的力磁電效應(yīng)與微結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了研究，應(yīng)力調(diào)控四態(tài)磁電耦合效應(yīng)對于多態(tài)存貯器的研制和開發(fā)具有重要意義；利用研制儀器對PMN-PT鐵電單晶進(jìn)行了多尺度疇結(jié)構(gòu)觀察與納觀區(qū)域壓電響應(yīng)研究，通過微觀和納觀尺度的結(jié)合，澄清了目前尚存爭論的單斜相的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，同時(shí)揭示了單斜相、三方相、四方相中鐵電疇電場下的電致應(yīng)變與疇取向的關(guān)系；將高性能PMN-PT鐵電單晶與巨磁致伸縮材料Terfernol-D結(jié)合制作PMN-PT/Terfernol-D磁電復(fù)合材料，研究了磁場對疇結(jié)構(gòu)和電極化性能的調(diào)控，得到了磁場調(diào)控的最優(yōu)值；研究了電活性聚合物(P(VDF-TrFE)鐵電薄膜循環(huán)電場下由電場誘導(dǎo)的電極化和力學(xué)性能共增強(qiáng)效應(yīng)，適合應(yīng)用于無疲勞現(xiàn)象的鐵電器件；還利用研制儀器對柔性聚合物磁電復(fù)合材料的自偏置磁電耦合進(jìn)行了研究，由于不必再使用外加靜磁場，可以使得磁電器件降噪的同時(shí)尺寸做得更小；研究制備了高性能PVDF基壓電納米纖維，對單根納米纖維的壓電性能進(jìn)行表征，在高性能壓電納米纖維研制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了納米纖維發(fā)電機(jī)原型的制作，獲得較高的輸出能量。

多芯光纖拉制的工藝主要有兩種:一種是在芯層玻璃的棒體上套上外包層的玻璃管,之后送入乳高溫爐軟化拉制成光纖;另一種是用預(yù)制棒直接在高溫爐中加溫軟化拉制出光纖。

多芯光纖制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)單芯光纖不同;主要有兩種制作技術(shù);第一種是多芯光纖嵌入光纖預(yù)制棒制作技術(shù),此方法除了預(yù)制棒制作工藝不同外,其光纖拉制方法與普通標(biāo)準(zhǔn)光纖的拉制過程相同,第二種稱為多相禍技術(shù),每一個(gè)纖芯都是由獨(dú)立的內(nèi)坦禍中引出,纖芯的數(shù)目及對應(yīng)位置分布通過纖芯內(nèi)it禍來加以調(diào)整,外謝禍引出的是包層材料,這樣多個(gè)內(nèi)琳禍引出的被外播禍引出的包層包裹,共同拉出的即是所謂的多芯光纖。

此外還有介紹的一種是光子晶體光纖(Multicore photonic crystal fiber)它是一種常見的多芯光纖,制作多芯光子晶體光纖的方法與制作單模光子晶體光纖的(PCF)方法一樣,都是先鉆孔后堆積的制造,唯一不同之處在于預(yù)制棒橫截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),通過改變纖芯的位置分布或改變空氣孔的比例可以獲得具有不同親合度的多芯光纖。