智能金属结构光纤埋入方法及传感性能研究

金属结构的智能化旨在实现其运行过程中实时监测内部的温度、残余应力等状态参数的变化信息，从而能及时发现其故障点并采取相应的处理措施，这对结构件的安全运行及生产率的提高具有重要意义，并在建筑、航空、军事等领域有重大的工程价值。金属结构的智能化关键在于在金属结构成形过程中完好地埋入与金属材料匹配的传感器特性。本项目以航空金属结构件为背景，研究适合在熔焊堆积成形过程中埋入的光纤布拉格光栅FBG（Fiber Bragg Grating）传感器，进行传感器的有效保护，探索传感器更好的埋入方法与工艺，构建分析嵌入金属结构内部的光纤传感器的检测温度、残余应力等参数的理论模型，建立光纤传感器对金属结构的性能影响的模型，从而最终获得能实时反映内部的温度、应力等状态参数变化的智能金属结构。本项目为光学、材料与制造等学科交叉的应用基础研究，其完成将为监测智能金属结构内部参数提供新的方法和手段。 2100433B

本项目是针对于现代工业发展对智能型新材料的需求而展开的一项探索性研究。钎焊方法具有加热温度可选择性，易于控制升降温速度等优点，因而采用钎焊方法可能成功地将光纤光栅传感器（FBG）嵌入金属材料，从而获得智能金属结构材料。本课题即研究采用钎焊方法制造光纤智能金属结构材料的可能性及相关的科学问题。重点研究FBG嵌入金属前的金属化保护和可控增敏过程；向TC4钛合金中的钎焊嵌入过程及界面反应；嵌入金属后获得智能结构材料的力学性能和温度、应变等传感信号的提取。本研究的最终目标是通过钎焊嵌入方法获得具有监测自身温度、应变能力的光纤智能金属结构材料。通过上述研究，深入了解和体会智能金属结构材料设计、制造和性能特性，掌握规律，发现其中存在的科学与工程问题，为进一步开展智能结构的研究和应用打下基础。

金属结构的智能化旨在实现其运行过程中关键部位的温度、应力等状态参数的实时监测和控制，从而能及时发现其故障点并采取相应的处理措施，对结构安全运行及生产率提高具有重要意义，特别是在航空航天等军事领域和桥梁建筑等民用领域有重要工程意义。本项目对基于光纤光栅的智能型材料结构进行了探索性研究：研究了采用钎焊方法制造光纤智能金属结构及材料的可能性及相关基础科学问题。重点研究了FBG嵌入金属前的金属化保护和可控增敏过程；FBG向TC4钛合金中的钎焊嵌入过程及界面反应和钎料在钛合金表面的润湿铺展过程；嵌入金属后获得智能结构材料的力学性能和温度、应变等传感信号的提取。研究结果表明：（1）单层金属镀层或多层金属镀层可以与FGB良好结合，通过实验和建模计算结合的方法在一定范围内可以实现对FBG的可控温度增敏；（2）AgCu钎料在钛合金（TC4和TiAl合金）表面润湿铺展的过程，由于存在强烈的界面反应，基体母材的粗糙度对润湿铺展动力学过程影响较小；（3）钎焊过程中FBG受到钎焊收缩应力作用，中心波长会发生蓝移；（4）由于钎焊方法具有加热温度低、控制性好的特点，因此，采用钎焊方法可以将金属化的FBG嵌入金属内部或封装在金属表面，获得了具有监测自身温度、应变能力的光纤智能金属结构。 相关研究成果发表在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》、《Applied Surface Science》、《Optical Fiber Technology》、《Optics Communications》等杂志和专业国际会议论文集中（进行了口头报告2人次），其中SCI收录4篇、EI收录5篇；申请发明专利2项；获江西省高校科技成果二等奖一项；培养博士生2名、硕士生3名。项目进行期间，项目组研究人员与美国University of Kentucky 同行进行了钎焊和光纤传感领域的合作研究，合作研究成果发表在《Optical Fiber Technology》、《Europhysics Letters》、《Langmuir》等杂志，获得了同行的好评。

光纤传感智能混凝土，即在混凝土结构的关键部位埋入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。2100433B