智能金屬結(jié)構(gòu)光纖埋入方法及傳感性能研究

金屬結(jié)構(gòu)的智能化旨在實現(xiàn)其運行過程中實時監(jiān)測內(nèi)部的溫度、殘余應(yīng)力等狀態(tài)參數(shù)的變化信息，從而能及時發(fā)現(xiàn)其故障點并采取相應(yīng)的處理措施，這對結(jié)構(gòu)件的安全運行及生產(chǎn)率的提高具有重要意義，并在建筑、航空、軍事等領(lǐng)域有重大的工程價值。金屬結(jié)構(gòu)的智能化關(guān)鍵在于在金屬結(jié)構(gòu)成形過程中完好地埋入與金屬材料匹配的傳感器特性。本項目以航空金屬結(jié)構(gòu)件為背景，研究適合在熔焊堆積成形過程中埋入的光纖布拉格光柵FBG（Fiber Bragg Grating）傳感器，進行傳感器的有效保護，探索傳感器更好的埋入方法與工藝，構(gòu)建分析嵌入金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖傳感器的檢測溫度、殘余應(yīng)力等參數(shù)的理論模型，建立光纖傳感器對金屬結(jié)構(gòu)的性能影響的模型，從而最終獲得能實時反映內(nèi)部的溫度、應(yīng)力等狀態(tài)參數(shù)變化的智能金屬結(jié)構(gòu)。本項目為光學、材料與制造等學科交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其完成將為監(jiān)測智能金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)提供新的方法和手段。 2100433B

本項目是針對于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對智能型新材料的需求而展開的一項探索性研究。釬焊方法具有加熱溫度可選擇性，易于控制升降溫速度等優(yōu)點，因而采用釬焊方法可能成功地將光纖光柵傳感器（FBG）嵌入金屬材料，從而獲得智能金屬結(jié)構(gòu)材料。本課題即研究采用釬焊方法制造光纖智能金屬結(jié)構(gòu)材料的可能性及相關(guān)的科學問題。重點研究FBG嵌入金屬前的金屬化保護和可控增敏過程；向TC4鈦合金中的釬焊嵌入過程及界面反應(yīng)；嵌入金屬后獲得智能結(jié)構(gòu)材料的力學性能和溫度、應(yīng)變等傳感信號的提取。本研究的最終目標是通過釬焊嵌入方法獲得具有監(jiān)測自身溫度、應(yīng)變能力的光纖智能金屬結(jié)構(gòu)材料。通過上述研究，深入了解和體會智能金屬結(jié)構(gòu)材料設(shè)計、制造和性能特性，掌握規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其中存在的科學與工程問題，為進一步開展智能結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

金屬結(jié)構(gòu)的智能化旨在實現(xiàn)其運行過程中關(guān)鍵部位的溫度、應(yīng)力等狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測和控制，從而能及時發(fā)現(xiàn)其故障點并采取相應(yīng)的處理措施，對結(jié)構(gòu)安全運行及生產(chǎn)率提高具有重要意義，特別是在航空航天等軍事領(lǐng)域和橋梁建筑等民用領(lǐng)域有重要工程意義。本項目對基于光纖光柵的智能型材料結(jié)構(gòu)進行了探索性研究：研究了采用釬焊方法制造光纖智能金屬結(jié)構(gòu)及材料的可能性及相關(guān)基礎(chǔ)科學問題。重點研究了FBG嵌入金屬前的金屬化保護和可控增敏過程；FBG向TC4鈦合金中的釬焊嵌入過程及界面反應(yīng)和釬料在鈦合金表面的潤濕鋪展過程；嵌入金屬后獲得智能結(jié)構(gòu)材料的力學性能和溫度、應(yīng)變等傳感信號的提取。研究結(jié)果表明：（1）單層金屬鍍層或多層金屬鍍層可以與FGB良好結(jié)合，通過實驗和建模計算結(jié)合的方法在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)對FBG的可控溫度增敏；（2）AgCu釬料在鈦合金（TC4和TiAl合金）表面潤濕鋪展的過程，由于存在強烈的界面反應(yīng)，基體母材的粗糙度對潤濕鋪展動力學過程影響較??；（3）釬焊過程中FBG受到釬焊收縮應(yīng)力作用，中心波長會發(fā)生藍移；（4）由于釬焊方法具有加熱溫度低、控制性好的特點，因此，采用釬焊方法可以將金屬化的FBG嵌入金屬內(nèi)部或封裝在金屬表面，獲得了具有監(jiān)測自身溫度、應(yīng)變能力的光纖智能金屬結(jié)構(gòu)。 相關(guān)研究成果發(fā)表在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》、《Applied Surface Science》、《Optical Fiber Technology》、《Optics Communications》等雜志和專業(yè)國際會議論文集中（進行了口頭報告2人次），其中SCI收錄4篇、EI收錄5篇；申請發(fā)明專利2項；獲江西省高?？萍汲晒泉勔豁?；培養(yǎng)博士生2名、碩士生3名。項目進行期間，項目組研究人員與美國University of Kentucky 同行進行了釬焊和光纖傳感領(lǐng)域的合作研究，合作研究成果發(fā)表在《Optical Fiber Technology》、《Europhysics Letters》、《Langmuir》等雜志，獲得了同行的好評。

光纖傳感智能混凝土，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時監(jiān)測。2100433B