光纤力学性能的试验研究

埋入式光纤传感器中,光纤与复合材料之间的相互作用会影响整个结构的力学性能。根据材料表界面学知识,光纤埋入复合材料中,与复合材料结构形成界面,该界面对复合材料的性能产生影响,因此光纤与复合材料之间形成的界面强度的研究意义重大。为了从本质上研究光纤埋入复合材料后对复合材料结构产生的影响,可采用单丝模型法等微观力学方法对光纤与复合材料之间形成界面的强度进行研究。根据理论,界面的剪切强度与光纤自身的拉伸强度有关,因此首先需要对光纤的力学性能进行研究。研究时探讨了两种试验方法,第一种为将光纤两端埋入环氧树脂槽的方法,采用此试验方法可得到光纤的弹性模量约为15GPa,第二种为缠绕的方法。并自制了小型拉伸试验机,在此试验机上进行大量拉伸试验,得到光纤拉伸强度为4.07GPa。     

光纤传感器对机敏复合材料结构性能的影响

本文通过实验研究了光纤传感器对埋光纤机敏复合材料机械性能的影响，详细分析了埋光纤机敏复合材料层板在外载作用下的应力分布，针对三种不同铺层方式，研究了六种树脂填充区对机敏复合材料层板应力集中的影响，得出了减小应力集中的有效方案。     

空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂力学性能实验研究

制备了一种空心玻璃微珠质量比、四种玻璃纤维质量比的空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂复合泡沫材料。通过一系列准静态压缩、拉伸实验,研究了玻璃纤维填充量对复合材料的密度、强度、弹性模量等性能的影响,并分析了其影响原因。通过三点弯曲实验,研究了复合材料弯曲弹性模量、弯曲强度等力学性能与玻璃纤维填充量的关系。通过拉伸断口SEM照片分析了玻璃纤维增强复合材料力学性能的原因。研究表明:随着玻璃纤维填充量增加,复合材料的拉伸和弯曲强度、压缩屈服极限及弹性模量等力学性能都有较大的提高,且仍然保持了较好的弹性性能和塑性特征。     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。     

智能结构中光纤智能夹层力学特性的实验研究

根据光纤自诊断系统模块化、集成化要求,制作出光纤智能夹层,它可以铺设于复合材料结构表面或埋入复合材料结构内部。对智能夹层试件的轴向拉伸试验和层间拉伸试验表明,光纤智能夹层的埋入对复合材料结构的强度性能无显著影响,可以埋入复合材料结构内部并实施健康监测。试验还表明,在一定应变范围内,单膜交错光纤中光强—应变之间具有良好的线性关系,可以在埋入复合材料之前进行标定。     

海港大管桩力学性能实验测试与反演研究

利用光纤光栅传感技术，在现场对大管桩在外载作用下的变形情况进行了测试. 根据实验测试结果，利用数值法反分析大管桩力学性能参数，同时得到大管桩接缝处的环氧树脂材料对大管桩整体力学性能影响很小. 反演出的合理的力学性能参数为大管桩的正确受力分析以及健康诊断提供了依据.     

基于光纤光栅传感器的玻璃纤维复合材料层间应变测试的实验分析

通过对内埋未封装光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)的玻璃纤维增强复合材料进行力学实验分析,得到不同试件层间的应变曲线与试件断面的微观截面图.探讨了玻璃纤维复合材料固化过程中温度和压力对FBG传感器的传感性能的影响,深入分析了FBG传感器与玻璃纤维复合材料的融合度以及弯曲实验中FBG传感器检测精度.在试件三点弯曲实验中,与传统电测方法不同,应用新型未封装FBG传感器进行复合材料的层间应变测量,得到的层间应变与载荷数据,拟合直线的线性相关系数均在0.99以上,并且传感器在监测不同试件同一层的层间应变的相对误差不超过5％.为应用FBG传感器检测实际的复合材料构件内部应变以及形成FBG传感网络损伤监测系统提供了实验基础.     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

三维碳毡支撑型聚酰胺纳米复合材料的摩擦学行为

以碳毡(CF)为三维支撑材料，通过一步水热法将氧化石墨烯(GO)和石蜡(PW)负载到碳毡上制备CF/GO/PW三维润滑增强体，再通过原位聚合的方法制备聚酰胺/CF/GO/PW复合材料.对CF/GO/PW三维润滑增强体的微观形貌和复合材料的结构等进行表征测试，研究了纯聚酰胺6 (MCPA6)及其复合材料的摩擦学性能和力学性能，以及GO与PW的比例对材料摩擦学性能的影响.研究发现GO与PW的质量比为1:3时，复合材料的摩擦学性能达到最佳水平，与纯聚酰胺相比，复合材料的摩擦系数和比磨损率分别降低了87%和73%，这是碳毡与基体界面性能的改善和GO/PW与CF一块起到协同增强润滑的结果；复合材料的拉伸模量和弯曲模量分别提高37%和155%，表明CF/GO/PW三维润滑增强体对复合材料具有明显的增强作用.     

DETERMINATION OF INTERNAL STRAIN IN 3-D BRAIDED COMPOSITES USING OPTIC FIBER STRAIN SENSORS

A reliable understanding of the properties of 3-D braided composites is of primary importance for proper utilization of these materials. A new method is introduced to study the mechanical performance of braided composite materials using embedded optic fiber sensors. Experimental research is performed to devise a method of incorporating optic fibers into a 3-D braided composite structure. The efficacy of this new testing method is evaluated on two counts. First, the optical performance of optic fibers is studied before and after incorporated into 3-D braided composites, as well as after completion of the manufacturing process for 3-D braided composites, to validate the ability of the optic fiber to survive the manufacturing process. On the other hand, the influence of incorporated optic fiber on the original braided composite is also researched by tension and compression experiments. Second, two kinds of optic fiber sensors are co-embedded into 3-D braided composites to evaluate their respective ability     

基于神经网络与光纤传感阵列的结构状态监测方法

以探测机敏复合材料与结构内应变、应力及损伤等物理状态的位置信息为目的．提出了一种新颖的可内埋于材料与结构内作为结构状态监测用的强度调制型光纤传感阵列网络，并采用人工神经网络来处理传感阵列输出的并行分布式传感信号，阐述了适用的Ｋｏｈｏｎｅｎ网模型及其变化形式，给出了仿真实验结果     

用于结构健康监测的智能夹层研究进展

利用改进的柔性印刷电路技术,把一个分布式传感器/驱动器网络预先复合到一片绝缘载体膜上形成薄层,再结合相应的信号控制和处理软件,这就是当前先进的智能夹层(SMARTLayer)技术。结构健康监测(SHM)系统中智能夹层的提出及发展,将有可能把目前广泛采用的离线、静态、被动的材料及结构的损伤检测,转变为在线、动态、实时的健康监测,从而导致工程结构及材料安全监测与性能改善思路产生质的飞跃,引起结构及材料设计思想的变革。在本文中,主要阐述了智能夹层的发展、特点、关键技术、部件、相关的数据处理和应用情况,以及对今后的发展提出了一些需要注意解决的问题。在研究中,我们发现嵌入到玻璃纤维复合材料中的智能夹层对工程材料基体的力学性能没有产生明显的影响,并且自身的电学性能也非常稳定。     

含空心纤维热电复合材料的能量转换效率及力学性能

空心纤维常用于热电复合材料的结构设计。纤维附近产生的不均匀温度场会引起局部热应力集中,威胁材料的可靠性并可能导致结构失效。本文采用圆环夹杂模型,研究了含空心纤维热电复合材料在均匀远场电流和能流作用下的力学响应。基于非线性全耦合的热电本构方程,利用复变函数中的级数法得到了纤维和基体中热电场和应力场的解析解。通过数值算例,分析了空心纤维的传导能力和几何尺寸对温度场、应力场和局部热电转换效率的影响。结果表明：随着空心纤维内径和界面热阻的增大,界面周围的应力场增大,但并不改变应力场的分布趋势。此外,我们发现：温度分布和应力场对几何参数比对界面热阻更为敏感。     

光纤模斑谱传感器复合材料固化监测研究

提出利用一种新型光纤传感器，通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置周围树脂折射率的变化．计算了随着树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布，给出截止频率与折射率的近似关系．给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果．发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点．由于固化后光纤仍保持光波导特性，该光纤还可以用来监测结构受环境的扰动如温度变化、振动等．     

中空纳米微球填充复合材料的有效力学性能

中空纳米微球可作为复合材料填充体使用. 与相同粒径下的实心纳米颗粒相比,中空纳米微球密度更低,存在表/界面应力效应的面积更大,由此导致的不同力学行为值得人们关注和研究. 目的是研究表/界面应力对中空纳米微球填充复合材料力学行为的影响. 首先,基于广义自洽原理,利用考虑表/界面应力影响的四相球模型导出了中空纳米微球填充复合材料在单向载荷作用下的弹性场,获得了纳米复合材料有效弹性模量的闭合形式解. 然后,分析了纳米复合材料存在的尺度相关性. 算例结果表明,有效弹性常数和环向应力与经典解答不同, 取决于表/界面性能、纳米中空微球粒径和壁厚. 该结论对于中空纳米微球复合材料具有指导意义.      

Residual Strains using Integrated Continuous Fiber Optic Sensing in Thermoplastic Composites and Structural Health Monitoring

The evolution of spatially resolved internal strain/stress during the manufacturing of thermoplastic composites and subsequent relaxation from water intake are evaluated using an in-situ fiber optic sensor corresponding to a coated optical glass fiber with a nominal diameter of 160 μm. Unidirectional carbon fiber-polyamide 6 composites are produced using compression molding with an embedded fiber optic for strain measurement. The distributed fiber optic based strain sensor is placed in an arrangement to capture 0, 45, and 90° strains in the composite to resolve in-plane strain tensor. Strains are monitored in the direction of fiber optic sensor along its length at high resolution during the various stages of compression molding process. Results indicate considerable internal strains leading to residual stress at the end of processing step along the off-axis (45°) and transverse (90°) directions, and small strains in the carbon fiber pre-preg (0°) direction. At the end of compression molding process, an average of 7000 and 10,000 compressive micro-strains are obtained for residual state of strain in the off-axis and transverse direction. Since water/moisture infusion affects the mechanical properties of polyamide-6 matrix resin, these composite panels with embedded sensors targeted for marine applications are monitored in a water bath at 40 °C simulating accelerated testing conditions. Using the same fiber optic sensor based technique, the strain relaxation was observed during water uptake demonstrating in-situ strain monitoring during both manufacturing and subsequent composite implementation/application environment. The technique presented in this paper shows the potential of optimizing time-temperature-pressure protocols typically utilized in thermoplastic manufacturing, and continuous life-cycle monitoring of composite materials using a small diameter and inexpensive distributed fiber optic sensing.     

热和机械载荷共同作用下涂层特性对埋入式光纤传感器性能的影响

研究在热载及拉伸共同作用下，光纤传感器涂层的材料特性和厚度变化对光纤－涂层－基体基体性能的影响，分析表明在埋入式光纤附近的应力集中涂层的特性有关。在热应力和机械应力共同作用下，对于给定的基体材料和裸光纤，存在可减少基体，涂层与裸光纤之间或裸光纤中应力集中的涂层性能和尺寸的最优组合。