Study Smart-layer effect on the physical and mechanical characteristics of the samples from polymer composite materials under quasi-static loading

Abstract

Currently, developments of the so-called Smart-constructions are relevant as they enable a real-time monitoring of changes in required values. Smart designs are widely used in the construction, automotive and aerospace industries. Technologies of creating products from polymer composite materials make it possible to introduce various sensors directly into the structure of a material, thereby create systems monitoring the state of structures. The most recommended for such implementation are fiber-optic sensors, which have a number of advantages over other sensors (luminescent, strain gauge, piezoelectric ones). However, when introducing the fiber-optic sensors, there is a number of difficulties, which are primarily associated with fragility of the optical fiber and lead to the breakdown of fiber-optic lines. As a result, it is necessary to develop a Smart-layer that will protect the optical fiber leads and will not significantly change the physical and mechanical characteristics. This paper aims to determine the stiffness and strength characteristics of samples made of polymer composite materials: reference samples, samples with embedded fiber-optic sensors, samples with embedded Smart-layers. In this work, a Smart-layer is understood as a coating that protects the fiber-optic sensors at the stage of implementation into a structure. The paper considers the following configurations of the Smart-layer: polymer reinforced mesh, polyamide and polyurethane layer. We analyzed and compared the influence of the embedded optical fiber and various configurations of the Smart-layer in the composite structure on the physicomechanical characteristics of the samples obtained under quasi-static loading (tension, compression, and interlayer shear). For a more detailed analysis of using the fiber-optic sensors and various configurations of the Smart-layer, the corresponding loads were simulated to assess their mechanical behavior. Based on the obtained physical and mechanical characteristics, a specific configuration of the Smart-layer was selected and justified for further researches.

© ПНИПУ Numerical and experimental research of the evaluation of the mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymerspecimens with an embedded Smart-layer

“…Кроме того, следует подобрать не только материал, но и технологию изготовления Smart-слоя для обеспечения требуемого расположения волокна и ВБР в слое. Как было показано ранее [16], технология плавления полимерных пленок не может обеспечить требуемое расположение волокна в слое, поэтому было принято решение изготавливать Smart-слои по технологии 3D-печати. В качестве материала для печати выбран полиамид, поскольку внедрение именно полиамида в структуру образцов из ПКМ незначительно изменило ФМХ [32].…”

“…Для проведения механических испытаний и оценки влияния внедренного Smart-слоя на ФМХ были изготовлены образцы из текстильного равнопрочного углепластика. Полученные при механических испытаниях ФМХ сравнивались с ранее известными [16]. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что внедрение Smart-слоёв из полиамида, изготовленных по различным технологиями, не оказывает существенного влияния на физико-механические характеристики углепластика.…”

“…Таким образом, Smart-конструкции с возможностью самодиагностики с датчиками на основе ВОД являются востребованными в различных отраслях промышленности. Однако большинство авторов отмечает ряд сложностей с применением ВОД в качестве датчиков контроля, как при поверхностном монтировании, так и внедрении в структуру конструкции, а именно сложности установки/демонтажа или внедрения в силу хрупкости волокна, сложность базирования чувствительного элемента, обеспечение целостности ВОД на выходе из полимерной конструкции [14][15][16][17].…”