Самодиагностирующиеся материалы

К самодиагностирующимся материалам относятся такие материалы, которые способны контролировать изменения, происходящие в их структуре, т.е. осуществлять диагностику собственного структурного состояния непосредственно в процессе эксплуатации. Одной из основных причин выхода из строя технических устройств и сооружений являются недопустимые деформации и разрушения материалов их деталей, работающих в условиях больших механических нагрузок. Для прогнозирования долговечности деталей их подвергают лабораторным испытаниям на разрушение, в ходе которых определяются основные параметры разрушений (уровень, место возникновения, скорость и протяжённость распространения разрушений). Однако такие прогнозы являются приближенными, поскольку, основываясь на результатах лабораторных испытаний, невозможно достаточно точно предсказать, как будут проявляться прочностные свойства материалов, из которых изготовлены детали, в конкретных условиях эксплуатации. Поэтому практически важно проводить мониторинг структурного состояния материалов непосредственно в процессе эксплуатации, для того чтобы своевременно выявлять особенности развития в них деформаций и разрушений (особенно на начальной стадии) и предпринимать соответствующие меры по предотвращению возможных аварийных ситуаций.

Для проведения такого мониторинга необходимо использовать специальные сенсоры, встроенные в структуру материала (или прикрепленные к его поверхности). Фактически речь идет о создании самодиагностирующихся композиционных материалов, в которых имеются структурные компоненты, играющие роль чувствительных элементов, способных реагировать на развитие в этих материалах деформаций и разрушений.

Подобный подход к осуществлению мониторинга организма применяется в современной медицинской диагностике. В частности, эффективно применять миниатюрные компьютеризованныесенсорные устройства, которые контролируют температуру тела, частоту биения сердца, уровень кровяного давления, содержание глюкозы в крови, электрическое сопротивление кожи и пр. Вся информация, собираемая ими, может контролироваться непосредственно больным, а также передаваться с помощью мобильных систем связи в медицинский диагностический центр для обработки и анализа либо для сохранения в компьютерной базе данных. Кроме того, такие устройства могут непосредственно встраиваться в организм, т.е. играть роль специальных сенсоров.

1. Самодиагностирующиеся полимерные композиты с волоконными сенсорами

В последние годы большее распространение получили самодиагностирующиеся волокнистые полимерные композиты, в которых в качестве чувствительных элементов, встроенных в матрицу, применяются углеродные или стеклянные волокна. Волокна обоих типов могут испытывать вместе с матричным материалом различные виды деформаций и разрушений, которые проявляются в изменении свойств волокон (электрических – в углеродных волокнах и оптических – в стеклянных). Контролируя эти изменения в режиме реального времени, можно следить за структурным состоянием материалов в процессе эксплуатации.

Композиты с углеродно-волоконными сенсорами. Углеродные волокна получают термической обработкой исходных химических и природных волокон. Они характеризуются высоким (до 99,5 масс. %) содержанием углерода, а их диаметр обычно составляет 5–15 мкм. Углеродные волокна обладают высокой прочностью на растяжение, теплостойкостью и химической стойкостью. Самодиагностирующиеся полимерные композиты с углеродными волокнами имеют, как правило, листовую форму. При этом волокна укладываются в плоскости листа в одном определенном направлении. Поскольку полимерная матрица является изолятором, то электропроводность композита определяется электропроводностью углеродных волокон. Причем, с учетом однонаправленной волокнистой структуры композита, казалось бы, что он является электропроводным только лишь в плоскости листа, а именно: в направлении укладки волокон. Однако композит обладает электропроводностью также и в поперечном направлении, т.е. по толщине

листа. Это объясняется особенностями технологии изготовления композитов, в частности, текучестью смолы и извилистой формой углеродных волокон, в результате чего в композите становится возможным образование отдельных (чаще всего точечных) электрических контактов между смежными волокнами.

Можно выделить два характерных вида деформаций и разрушений композита, приводящих к изменению его электропроводности:

1. деформации и разрушения, сопровождающиеся разрывом волокон, что ведет к снижению электропроводности композита в плоскости листа;
2. деформации и разрушения, сопровождающиеся отслаиванием волокон с образованием разрывов между ними и матрицей, что ведет к уменьшению протяженности контактов между волокнами и, следовательно, к снижению электропроводности композита по толщине листа.

В общем случае электросопротивление листового композита может измеряться в следующих направлениях: 1) вдоль плоскости листа, 2) по толщине листа и 3) в наклонном направлении, являющемся промежуточным между первым и вторым направлениями. Электросопротивление, измеряемое вдоль плоскости листа, особенно если оно параллельно волокнам, чувствительно к разрыву волокон. Электросопротивление, измеряемое по толщине листа, чувствительно к отслаиванию волокон. Наконец, электросопротивление, измеряемое в наклонном направлении, чувствительно как к разрыву, так и к отслаиванию волокон. Таким образом, схема измерения электросопротивления в наклонном направлении является наиболее эффективной с точки зрения чувствительности к разным видам деформаций и разрушений композита. Данная схема может быть реализована с использованием двух пар электрических контактов, каждая из которых наносится на противоположных поверхностях листа композита, причем не напротив друг друга, а на определенном расстоянии друг от друга (из двух парных контактов один является токовым, другой – вольтажным).

Композиты с оптоволоконными сенсорами. Оптические волокна (оптоволокна) формуют из расплавленного кварцевого стекла. Они обладают высокой прочностью на растяжение, теплостойкостью и химической стойкостью, а также низкой теплопроводностью. Оптоволокна способны обеспечивать перенос светового излучения внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей: сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Луч света, направленный в сердцевину, распространяется по ней, испытывая многократные отражения от границы сердцевина – оболочка.

Основными составными частями оптоволоконного сенсора являются оптоволоконный чувствительный элемент, источник и приемник светового излучения, а также оптоволоконные линии связи между ними. Кроме того, для практического использования сенсора необходимо устройство детектирования, осуществляющее обработку оптической информации, поступающей от чувствительного элемента.

Общий принцип действия оптоволоконных сенсоров состоит в том, что свет, поступающий от источника излучения (лазера), передается через оптоволокно, где происходят изменения световых параметров под влиянием внешних факторов, и затем достигает приемника излучения и далее – устройства детектирования, которое оценивает эти изменения. В случае, когда оптоволокно встроено в структуру полимерного композита, особенности изменения параметров света, проходящего через оптоволокно, зависят от характера развития деформаций и разрушений композита.

Оптоволоконные сенсоры, используемые для диагностики композитов, по принципу работы подразделяются на типы: амплитудные, интерферометрические, брэгговские и др.

Амплитудные сенсоры воспринимают изменения интенсивности проходящего через оптоволокно светового излучения, величина которой уменьшается при изгибах или разрывах оптоволокна.

Интерферометрические сенсоры воспринимают изменения фазы проходящего через оптоволокно светового излучения, вызванное изменениями длины и рефрактивного индекса (показателя преломления) оптоволокна. При этом измерение изменения фазы осуществляется с помощью различных интерферометров, состоящих из оптоволокон, в частности, интерферометра Фабри – Перо.

Работа брэгговских сенсоров основана на использовании волоконных решеток показателя преломления (брэгговских решеток), обладающих свойством отражать излучение на определенной длине волны, значения которой могут изменяться в зависимости от характера развития растягивающих или сжимающих напряжений в оптоволокне.

Особый интерес представляют так называемые распределенные сенсоры, которые обеспечивают возможность контролировать не только уровень, но и место изменения параметров светового излучения в оптоволокне, что позволяет определять распределение внутренних напряжений в диагностируемых композитах.

Разработаны оптоволоконные брэгговские сенсоры на основе тонких оптоволокон диаметром 40–50 мкм, которые встраивались в структуру полимерных композитов, упрочненных углеродными волокнами. Такие оптоволокна по механическим и оптическим свойствам подобны обычным оптоволокнам диаметром 125 мкм. Вместе с тем они не вызывают никакого уменьшения прочности композитов при встраивании их наряду с упрочняющими волокнами в полимерную матрицу композитов. Испытания разработанных сенсоров показали, что они весьма чувствительны к неоднородному распределению напряжений вдоль всей длины брэгговской решетки, которая при этом изменяет спектр излучения, отраженного от сенсоров (рис. 1). Благодаря этому становится возможным детектировать микротрещины, возникающие при таком распределении напряжений.

На рис. 2 показаны схема работы брэгговского сенсора, встроенного в композит, характер развития микротрещин в композите при неоднородном распределении напряжений и соответствующее изменение спектра отраженного излучения.

Рис. 1. Реакция оптоволоконного брэгговского сенсора на однородное и неоднородное распределения напряжений

Рис. 2. Схема работы брэгговского сенсора (а), развитие микротрещин (б) и изменение спектра отраженного излучения (в)

2. Самодиагностирующийся бетон с кабельными сенсорами

Опорные железобетонные элементы строительных сооружений, например, колонны мостов, играют исключительно важную роль в обеспечении надежности конструкции, поскольку принимают на себя основные механические нагрузки. Поэтому мониторинг и оценка их структурного состояния имеют первостепенное значение. Однако часто довольно трудно обнаружить трещины в железобетонных колоннах, особенно после завершения землетрясения или взрыва, поскольку трещины не выявляются при визуальном осмотре. В этом случае эффективно использовать кабельные сенсоры, позволяющие детектировать трещины при статических, циклических и динамических нагружениях методом рефлектометрии во временной области, основанной на измерении коэффициента отражения путем наблюдения за формой отражённого сигнала (например, на экране осциллографа).

Одиночный кабельный сенсор может дать информацию о разрушении по всей длине кабеля, встроенного в железобетонную опору, включая информацию об уровне и месте разрушения. Кабельные сенсоры сравнительно дешевы (дешевле волоконных сенсоров), имеют высокую прочность и могут быть довольно просто встроены в конструкции различных сооружений. Они обладают уникальной способностью «памяти», фиксируя большинство серьезных повреждений. Благодаря этому становится возможным получать информацию о разрушении после того, как оно произойдёт, что повышает надежность детектирования разрушений с помощью кабельных сенсоров.

На рис. 3 представлена схема кабельного сенсора, а также его изображение в разрезе. Сенсор состоит из четырех компонентов: 1) внутренний проводник, 2) диэлектрический слой, 3) внешний проводник в виде плотно свернутой спирали из нержавеющей стали и 4) тонкое напаянное покрытие. Важная особенность изготовления сенсора состоит в том, что смежные витки спирали электрически взаимосвязан, но могут быть легко отделены друг от друга под действием механической нагрузки. Сенсор помещается в паз, специально приготовленный в железобетонной опоре, который затем заполняется жидким цементным раствором.

Рис. 3. Схема кабельного сенсора (а) и его изображение в разрезе (б)

Трещины, возникающие в железобетоне, раздвигают смежные витки спирали, что приводит к изменению в характере течения электрического тока (рис. 4) и, как следствие, к изменению электросопротивления в соответствующем месте спирали. Измеряя напряжение отраженного сигнала (с помощью осциллографа), можно определить его значение в зависимости от времени прохождения по длине кабеля, а затем и место повреждения кабеля (с учетом скорости прохождения сигнала, зависящей от электрических свойств материала кабеля).

Рис. 4. Схема прохождения тока по спирали при частичном разделении ее витков

Рис. 5 демонстрирует работу кабельного сенсора, встроенного в бетон (в области трещины, образовавшейся в бетоне, отчетливо видно разделение витков спирали).

Рис. 5. Разделение витков спирали в области трещины