碳纤维复合材料腐蚀环境及状态分布式光纤多参量协同监测机制研究

For meeting the application need of optical fiber sensing technology in carbon fiber composite material structural health monitoring field, a distributed optical fiber intelligent monitoring system for carbon fiber composite material corrosion based on multi-information fusion technology and its corrosion prediction model is proposed in this project in the view of corrosion state and corrosive environment monitoring . The study is divided into three parts: (1) A fiber optic sensing carbon fiber composites corrosion environment status monitoring model is constructed under the multi-field coupling condition. The impact to carbon fiber composite material corrosion process induced by some corrosion environment parameters such as temperature, humidity, pH and salinity is studied. (2) An integrated optical fiber monitoring technology for carbon fiber composite material corrosion is researched of which is focused on the theoretical model of the C/SiC consumption, structural stiffness change and corrosion damage state. (3) A distributed optical fiber monitoring system for carbon fiber composite material corrosion based on multi-parameter collaboration technology and its corrosion prediction model is proposed by establishing the relationship of the corrosion characteristic parameters and the corrosion degree so as to realize the multi-scale dynamics assessment and prediction of corrosion state. This research is of great significance to promote the application of optical fibe structural health monitoring in the field of aerospace composite damage monitoring.

本项目以光纤传感技术在航空碳纤维复合材料结构健康监测领域的应用需求为背景，拟从碳纤维复合材料腐蚀环境、腐蚀状态监测角度，探索实现基于多参量协同机制的光纤碳纤维复合材料腐蚀状态监测机制及其腐蚀预测模型。其研究内容分为以下三个方面：①研究多场耦合条件下光纤传感碳纤维复合材料腐蚀环境状态监测模型，考察多场耦合条件下温湿度、酸碱度等不同腐蚀环境参量对碳纤维复合材料腐蚀进程的影响；②研究光纤集成传感碳纤维复合材料腐蚀状态多尺度监测机理及其传感模型，着重考察C/SiC物质消耗、结构刚度变化与腐蚀损伤状态的理论模型；③构建多参量协同光纤碳纤维复合材料腐蚀状态监测及其腐蚀预测模型，采用多参量协同技术建立腐蚀特征参量与腐蚀程度之间的理论关联，实现对典型碳纤维复合材料结构腐蚀状态的多尺度动态评估监测。本项目的研究对促进光纤结构健康监测技术在航空碳纤维复合材料损伤监测领域的应用具有重要意义。

本项目以光纤传感技术在航空结构健康监测领域的应用需求为背景，从碳纤维复合材料腐蚀环境、腐蚀状态监测角度，针对项目申请书中提出的多场耦合条件下光纤传感碳纤维复合材料腐蚀环境状态监测模型、光纤传感碳纤维复合材料腐蚀状态多尺度监测机理及其传感模型和多参量协同光纤碳纤维复合材料腐蚀状态监测及预测模型三个方面内容进行了研究，并取得了相关成果。部分研究成果已应用或预计2017年应用于实际工程应用。.① 腐蚀环境状态监测方面，已完成了本项目中的不同环境参量对腐蚀进程的影响机理、相关环境参量监测光纤传感模型、腐蚀环境状态动态评价方法、光纤环境传感器验证等方面工作。此部分内容中基于“光纤传感环境参量监测传感器”研发的相关科技孵化成果，预计2017年上半年在“营口职业技术学院改迁工程”和“上海元祖儿童育乐中心”两个建筑结构内部进行实际工程示范验证。.② 碳纤维复合材料腐蚀状态监测方面，已完成了本项目中的碳纤维复合材料腐蚀损伤机理、C/SiC腐蚀损伤模型、基于C/SiC物质消耗的光纤碳纤维腐蚀消耗监测模型、基于结构刚度变化的光纤碳纤维腐蚀动/静态监测模型、相关实验验证等方面工作。此部分内容中构建的“基于结构刚度变化的光纤碳纤维腐蚀动/静态监测模型”已在航空复合材料标准拉伸件、整体T型接头结构件的拉伸断裂实验、医学股骨柄疲劳实验中完成验证。.③ 在多参量协同光纤碳纤维复合材料腐蚀状态监测及其腐蚀预测方面，已完成了本项目中的多特征参量协同技术、传感器集成工艺、多尺度动态评估等方面工作。此部分内容中研究的“传感器集成工艺”已在本项目中的验证实验中进行应用。. 综合上述内容，本项目组人员在完成本项目申请书原有研究内容的基础上，利用部分项目研究成果，完成了航空、医学等领域的实验验证工作，且相关科技孵化成果也预计于2017年上半年在建筑结构内部进行实际工程验证，对促进光纤监测技术在航空复合材料监测、医学疲劳监测、建筑结构安全监测等领域的应用具有重要意义。