基于粒子扩散机理的光纤智能金属结构关键技术研究

将光纤应力/应变传感器件融入金属结构，实现金属构件的智能化时，为了克服当前表面粘接工艺中力学传递性差、应力/应变传递环节多等缺点，提出了一种将金属粒子扩散技术与光纤传感技术相结合的方法，从根本上解决金属结构应力/应变自感知的难题。通过将金属原料粒子化及能量倍增的方式，使高能金属粒子瞬间撞击金属、光纤表面，经过强烈扩散作用，在金属、光纤表面及浅层形成金属结合体，通过金属结合层微粒间的结合力，使金属构件、光纤传感器件包裹成一体，达到光纤传感器件与金属构件紧密融合、协同变形的目的。通过精确控制金属微粒的喷射量，在现场常态下即可实现光纤器件、金属构件的有机结合，避免金属结构局部受力特性及光纤器件传感性能受到破坏。

光纤传感器件传统表面粘接工艺中存在着力学传递性能差、应力/应变传递环节多等缺点，严重限制了光纤智能金属结构的发展。本项目提出了一种将金属粒子扩散技术与光纤传感技术相结合的方法，对金属粒子扩散机理、金属微粒扩散行为进行了深入的理论和试验研究。开发了金属粒子扩散装置、光纤传感器性能蜕化试验系统、光纤传感器应变疲劳试验系统。在分析光纤传递特性的基础上建立了光纤智能结构应变传递模型，并对光纤智能结构的可靠性、工艺一致性进行了研究。光纤金属扩散试验结果表明金属粒子扩散行为对光纤传感性能无影响，光纤传感器件与金属构件能够紧密融合、协同变形；力学拉伸试验表明金属化连接的光纤传感器传感特性好，线性度、重复性好，克服了传统粘接工艺的缺陷；光纤智能结构经长时间疲劳试验后性能无明显变化，能够满足长期监测的要求，为光纤器件金属化封装技术的推广奠定了基础。