ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ПОЛИМЕРНОМ КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2023. № 75

УДК 539.3

DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.07

Г.С. Шипунов, Н.Д. Шемякин, С.А. Шипунова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ПОЛИМЕРНОМ КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Исследуются возможности регистрации технологических деформаций в полимерном композиционном материале с помощью внедрённых в его структуру волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток. Представлен принцип работы приёмно-регистрирующей аппаратуры для фиксации показаний с волоконно-оптических датчиков. Проведены экспериментальные исследования по контролю технологических деформаций в полимерном композиционном материале в автоклавном комплексе с применением препреговой технологии. В ходе проведения эксперимента получены результаты по определению технологических напряжений и деформаций в полимерном композиционном материале, определена принципиальная возможность контроля технологических деформаций в процессе создания изделия из полимерных композиционных материалов.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, стеклопластик, волоконно-оптические датчики, оптоволокно, брэгговская решетка, режим полимеризации, авиационный двигатель.

G.S. Shipunov, N.D. Shemyakin, S.A. Shipunova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

INVESTIGATION OF TECHNOLOGICAL DEFORMATIONS IN A POLYMER COMPOSITE MATERIAL USING FIBER-OPTIC SENSORS

The paper investigates the possibility of registering technological deformations in a polymer composite material using fiber-optic sensors embedded in its structure based on fiber Bragg gratings. The principle of operation of receiving and recording equipment for recording readings from fiber-optic sensors is presented. Experimental studies have been carried out to control technological deformations in a polymer composite material in an autoclave complex using prepreg technology. In the course of the experiment, the results of determining technological stresses and deformations in a polymer composite material were obtained, the principal possibility of controlling technological deformations in the process of creating a product from polymer composite materials was determined.

Keywords: polymer composite material, fiberglass, fiber-optic sensors, optical fiber, Bragg grating, polymerization mode, aircraft engine.

С учетом технологических ограничений разработка методики применения волоконно-оптических датчиков (ВОД) для контроля состояния полимерных композиционных материалов требует особого внимания. Эта методика должна учитывать специфику изготовления и эксплуатации изделий из композитов, а также характеристики самих волоконно-оптических датчиков.

Одним из ключевых аспектов является выбор оптимальной схемы размещения датчиков на изделии. С одной стороны, слишком редкая расстановка датчиков может привести к пропуску дефектов, а с другой стороны, слишком частая расстановка может увеличить стоимость системы контроля. Кроме того, необходимо разработать алгоритмы обработки данных, полученных от датчиков, которые позволят оперативно выявлять возникающие дефекты и принимать решения о необходимости проведения ремонтных работ.

Еще одним важным аспектом является вопрос возможности контроля технологических напряжений в композиционном материале в процессе его изготовления. Волоконно-оптические

датчики, внедренные в структуру композиционного материала, могут зафиксировать возникающие технологические напряжения в полимерной матрице за счет своих малых габаритов и высокой чувствительности.

Таким образом, исследование возможности контроля технологических деформаций в полимерном композиционном материале может позволить повысить качество изготовления композитных изделий и снизить вероятность дефектообразования.

Применение волоконно-оптических датчиков в композитных конструкциях

Одна из главных задач при использовании оптоволоконных датчиков в композиционных материалах связана с измерением деформации. В России большой опыт по работе с волоконно-оптическими датчиками на основе брэгговских решёток (ВБР) имеется во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов [1]. В своей работе они рассмотрели возможные проблемы при измерении деформации конструкций из композиционных материалов, также затронуты вопросы влияния интегрированного оптоволокна на свойства полимерного композиционного материала, ввода-вывода оптоволокна из композита, выбора модели, связывающей деформацию оптического волокна с измерением ее резонансной длины волны, проблема калибровки. Есть и ряд других проблем, которые требуют исследования, например, влияние температуры, времени, работоспособности при различных видах нагружения.

Мировой опыт использования волоконно-оптических датчиков рассматривается в достаточно большом количестве работ. Есть отдельные публикации, посвящённые методам и средствам измерения [2-4]. Рассматриваются вопросы влияния внедренных оптических волокон на физико-механические свойства композиционного материала [5]. В [6] анализируются возможности выполнения волоконно-оптическими датчиками нескольких функций. Возможности волоконно-оптических датчиков для анализа дефектов между слоями композита приводятся в работе [7]. Примером эффективного использования волоконно-оптических датчиков в практических приложениях является работа [8], где описывается применение датчиков для мониторинга стекловолоконных композиционных секций автомобильного моста. Реализация рассмотренных идей в реальных конструкциях рассмотрена в работе [9], где дается подробное описание технологии использования встроенных волоконно-оптических датчиков для регистрации деформации композиционного материала с результатами эксперимента по регистрации деформации в пластине при ее четырехточечном изгибе.

Исследование технологических деформаций в полимерном композиционном материале при помощи волоконно-оптических датчиков

Оценка особенностей фиксации технологических деформаций с применением волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток проводилась на оборудовании уникальной научной установки «Исследовательский комплекс для проведения научно-технологических исследований в области создания изделий из полимерных композиционных материалов» с применением интеррогатора ASTRO X327. Данный интеррогатор обладает широким динамическим диапазоном и высокой выходной мощностью, что позволяет производить измерения с высоким разрешением даже на длинных волоконных линиях и при существенных потерях мощности в оптическом волокне, вызванных соединениями и микроизгибами.

Согласно структурной схеме, представленной на рис. 1, интеррогатор генерирует и передает по оптическому волокну широкополосный оптический сигнал у (А,) (А - длина волны).

На брэгговской решетке часть этого сигнала отражается. Основная часть отраженного оптического сигнала имеет длину волны А - резонансную длину волны отраженного спектра. Величина этой волны прямо пропорциональна эффективному показателю преломления n и геометрической длине периода брэгговской решетки L. Именно эта зависимость и опреде-

Исследование технологических деформаций в полимерном композиционном материале ...

лила возможность регистрации изменения относительной длины периода ДЬ/Ь по анализу изменения относительной величины резонансной длины волны отраженного спектра ДХ/Х. Имеется зависимость

— = К -8 + Кт-АТ, К

где в - относительная деформация брэгговской решетки вдоль ее оси за счет механического деформирования; ДТ - изменение температуры оптического волокна в месте расположения брэгговской решетки с момента начала измерений резонансной длины волн отраженного спектра; К8, Кт - соответственно деформационный и температурный коэффициенты; ДХ = X - X* -разница величин резонансных длин волн отраженного спектра соответственно в текущий (X) и начальный (X*) моменты времени.

Длина волны

Рис. 1. Схема работы волоконно-оптических датчиков

Технологический эксперимент проводился с применением автоклавного комплекса Scholz на основе препреговой технологии формования изделий из полимерных композиционных материалов. Внедрение датчиков осуществлялось по схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Схема внедрения волоконно-оптических датчиков в полимерный композиционный материал

Один датчик внедряется по серединной линии в параллельно с термопарой на глубину 15 мм и отступом от чувствительной зоны термопары в 5 мм. Два датчика внедряются перед смыканием на поверхность замка в зоне облоя: датчик в металлической трубке для контроля температуры (ВБР-1); датчик для контроля деформаций (ВБР-2).

В результате эксперимента по определению технологических напряжений получены результаты, представленные на рис. 3.

Рис. 3. Результаты контроля технологических напряжений и деформаций в полимерном

композиционном материале

В результате эксперимента волоконно-оптические датчики зафиксировали наличие технологических деформаций в полимерном композиционном материале на уровне 0,10073 и 0,07156 %, что может существенно повлиять на образование пор, расслоений и других дефектов в полимерном композиционном материале.

Заключение

В работе рассмотрены основные особенности применения волоконно-оптических датчиков на основе брэгговских решеток в полимерных композиционных материалах. Проведен эксперимент по определению технологических напряжений в композиционном материале, созданном по препреговой технологии с автоклавным формованием, и получены результаты деформаций с волоконно-оптических датчиков. Анализируя полученные результаты, можно сказать, что волоконно-оптические датчики позволяют с высокой точностью контролировать технологические напряжения и деформации, возникающие в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

Библиографический список

1. К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток / В.В. Махсидов, М.Ю. Федотов, А.М. Шиенок, М.А. Зуев // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2014. - Т. 20, № 4. - С. 568-574.

2. The signal characteristics of reflected spectra of fiber Bragg grating sensors with strain gradients and grating lengths / D. Kanga, S. Parkb, C. Hongb, C. Kimb // NDT&E International. - 2005. - Vol. 38, № 8. -P. 712-718.

3. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: I. Parametric study / G. Luyckx, E. Voet, W. De Waele, J. Degrieck // Smart Mater. Struct. - 2010. - Vol. 19. - Art. ID 105017.

4. Mawatari T., Nelson D. A multi-parameter Bragg grating fiber optic sensor and triaxial strain measurement // Smart Mater. Struct. - 2008. - Vol. 17. - Art. ID 035033.

5. Characterization of the re-sponse of fibre Bragg grating sensors subjected to a two-dimensional strain field / F. Bosia, P. Giaccari, J. Botsis, M. Facchini, H. Limberger, R. Salathe // Smart Mater. Struct. - 2003. -Vol. 12. - P. 925-934.

6. Development of smart composite structures with small-diameter ber Bragg grating sensors for damage detection: quantitative evaluation of delamination length in CFRP laminates using lamb wave sensing / N. Takeda, Y. Okabe, J. Kuwahara, S. Kojima, T. Ogisu // Compos. Sci. Technol. - 2005. - Vol. 65. - P. 2575-2587.

Исследование технологических деформаций в полимерном композиционном материале ...

7. A novel time-division multiplexing ber Bragg grating sensor interrogator for structural health monitoring / Y. Dai, Y. Liu, J. Leng, G. Deng, A. Asundi // Opt. Lasers Eng. - 2009. - Vol. 47. - P. 1028-1033.

8. Integration and assessment of fibre Bragg grating sensors in an all-fibre reinforced polymer composite road bridge / Y. Gebremichaela, W. Lia, W. Boylea, B. Meggittb, K. Grattana, B. McKinleya, G. Fernandoc, G. Kisterc, D. Winterc, L. Canningd, S. Luke // Sensors and Actuators A. - 2005. - Vol. 118, № 1. - P. 78-85.

9. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах / Е.Н. Каблов, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев, К.В. Сорокин, М.Ю. Федотов, Е.М. Дианов, С.А. Васильев, О.И. Медведков // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2010. - № 3. - С. 10-15.

References

1. Makhsidov V.V., Fedotov M.Yu., Shienok A.M., Zuev M.A. On the integration of optical fiber in PCM and measurement of material deformation using fiber Bragg gratings // Mechanics of composite materials and structures. 2014. Vol. 20. No. 4. pp. 568-574.

2. Kanga D., Parkb S., Hongb C., Kimb C. The signal characteristics of reflected spectra of fiber Bragg grating sensors with strain gradients and grating lengths // NDT&E International. 2005. V. 38. № 8. P. 712-718.

3. Luyckx G., Voet E., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: I. Parametric study // Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. Art. ID 105017.

4. Mawatari T., Nelson D. A multi-parameter Bragg grating fiber optic sensor and triaxial strain measurement // Smart Mater. Struct. 2008. V. 17. Art. ID 035033.

5. Bosia F., Giaccari P., Botsis J., Facchini M., Limberger H., Salathe R. Characterization of the response of fibre Bragg grating sensors subjected to a two-dimensional strain field // Smart Mater. Struct. 2003. V. 12. P. 925-934.

6. Takeda N., Okabe Y., Kuwahara J., Kojima S., Ogisu T. Development of smart composite structures with small-diameter ber Bragg grating sensors for damage detection: quantitative evaluation of delamination length in CFRP laminates using lamb wave sensing // Compos. Sci. Technol. 2005. V. 65. P. 2575-2587.

7. Dai Y., Liu Y., Leng J., Deng G., Asundi A. A novel time-division multiplexing ber Bragg grating sensor interrogator for structural health monitoring // Opt. Lasers Eng. 2009. V. 47. P. 1028-1033.

8. Gebremichaela Y., Lia W., Boylea W., Meggittb B., Grattana K., McKinleya B., Fernandoc G., Kisterc G., Winterc D., Canningd L., Luke S. Integration and assessment of fibre Bragg grating sensors in an all-fibre reinforced polymer composite road bridge // Sensors and Actuators A. 2005. V. 118. № 1. P. 78-85.

9. Kablov E.N., Sivakov D.V., Gulyaev I.N., Sorokin K.V., Fedotov M.Yu., Dianov E.M., Vasiliev S.A., Medvedkov O.I. Application of optical fiber as deformation sensors in polymer composite materials // All materials. Encyclopedic reference. 2010. No. 3. pp. 10-15.

Об авторах

Шипунов Глеб Сергеевич (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: gsshipunov@ya.ru).

Шемякин Никита Дмитриевич (Пермь, Российская Федерация) - руководитель группы полимерных композиционных материалов Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: fenixlsd@yandex.ru).

Шипунова Светлана Андреевна (Пермь, Российская Федерация) - студент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: gsshipunov@ya.ru).

About the authors

Gleb S. Shipunov (Perm, Russian Federation) - Candidate of Technical Sciences, Director of the Youth Design and Technology Bureau of the Higher School of Aviation Engine Building, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: gsshipunov@ya.ru).

Nikita D. Shemyakin (Perm, Russian Federation) - Head of the Youth Polymer Composite Materials Group Design and Technology Bureau of the Higher School of Aviation Engine Building, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: fenixlsd@yandex.ru).

Svetlana A. Shipunova (Perm, Russian Federation) - Student of the specialty Materials Science and Technology of Materials, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: gsshipunov@ya.ru).

Финансирование. Результаты получены при выполнении государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.

Поступила: 31.10.2023

Одобрена: 03.11.2023

Принята к публикации: 11.12.2023

Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Шипунов, Г.С. Исследование технологических деформаций в полимерном композиционном материале с применением волоконно-оптических датчиков / Г.С. Шипунов, Н.Д. Шемякин, С.А. Шипунова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2023. - № 75. - С. 63-68. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.07

Please cite this article in English as: Shipunov G.S., Shemyakin N.D., Shipunova S.A. Investigation of technological deformations in a polymer composite material using fiber-optic sensors. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2023, no. 75, pp. 63-68. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.07