Оптоволоконные датчики предскажут разрушения еще на этапе создания деталей

Волоконно-оптические датчики активно используются в мире для определения деформаций на поверхности конструкций, например, при мониторинге зданий, ангаров и мостов. Благодаря научному сообществу скоро будет возможно и внутри изделий контролировать дефектообразование с помощью оптоволокна. Сейчас изучается возможность их внедрения в композиционные материалы. Однако здесь важно учитывать специфику изготовления деталей из композитов и характеристики самих приборов. В данный момент на производстве не оценивают технологические деформации изделий таким способом. Ученые ПНИПУ предлагают внедрять волоконно-оптические датчики внутрь полимерной композиционной конструкции и получать данные о нарушениях, сохраняя при этом все эксплуатационные свойства. Такой способ позволит предсказывать возможное разрушение детали в процессе ее создания.

Схема внедрения волоконно-оптических датчиков в полимерный композиционный материал

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» №75, 2023 год. Результаты получены при выполнении государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

Композиционные материалы состоят из двух или более различных компонентов, которые при объединении образуют совершенно новый материал с уникальными свойствами. Они используются практически во всех отраслях промышленности для изготовления корпусов самолетов, рулей, деталей кузова, медицинских протезов, оконных рам, различных покрытий. При производстве композита в него можно внедрить волоконно-оптические датчики и так контролировать весь процесс изготовления изделия, отслеживать малейшие внутренние нарушения.

Схема работы волоконно-оптических датчиков

Контроль технологических деформаций в материале повысит качество изготовления композитных изделий и снизит вероятность дефектообразования. Сейчас вопрос такого внедрения оптоволокна рассматривается лишь на уровне лабораторных исследований. Ученые ПНИПУ предложили регистрировать технологические деформации в материале с помощью внедренных в его структуру датчиков на основе волоконных брэгговских решеток.

В основе работы таких приборов лежит распространяющаяся световая волна. Ее свойства изменяются вместе с измеряемой физической величиной. Брэгговские решетки находятся в сердцевине оптоволокна. Они отражают световой сигнал, длина волны которого смещается вместе с изменением температуры, напряжения или деформации. Измерение этой зависимости позволит регистрировать нарушения внутри изделия.

Важный аспект изготовления композита – контроль его напряжений, из-за которых образуются деформации. Волоконно-оптические датчики, внедренные в структуру композита, могут зафиксировать возникающие напряжения в полимерной матрице (основе композита) за счет своих малых габаритов и высокой чувствительности.

Политехники фиксировали технологические деформации с помощью устройства интеррогатора. Он генерирует и передает по оптическому волокну световой сигнал. В ходе эксперимента в композиционный материал на глубину 15 мм ученые внедрили два датчика: для контроля температуры и деформаций.

– 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, – объясняет кандидат технических наук, директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы ПНИПУ Глеб Шипунов.

Исследования, проведенные учеными Пермского Политеха, доказали, что волоконно-оптические датчики позволяют с высокой точностью контролировать технологические напряжения и деформации, возникающие в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. Реализованная идея уникальна, с применением такой технологии на производстве контролировать нарушения в композитах будет проще и эффективнее.