Sensores de fibra óptica para uso avançado em compósitos poliméricos

Abstract

Estruturas compósitas vulgarmente utilizadas em engenharia têm vindo a requerer monitorização estrutural adequada, tendo em vista a avaliação da fiabilidade e durabilidade da estrutura e garantir a segurança de utilização. Têm ainda vindo a evoluir para sistemas leves, compactos e de baixo custo com controlo dos diversos parâmetros inerentes à detecção de possíveis danos estruturais. Esta dissertação centra-se no estudo relativo ao embebimento de sensores de fibras ópticas num compósito com fibra de carbono de reforço processado por VARTM - Vaccum Assisted Resin Tranfer Moulding. A integração de sensores de redes de Bragg em fibra óptica e de fibras ópticas poliméricas no compósito, possibilitou a monitorização, em tempo real, do processo de produção do referido compósito, permitindo acompanhar a cura da resina de epóxido ao longo do tempo e determinar a sua velocidade de infusão. Uma vez que a existência de tensões residuais pode ser prejudicial ao desempenho mecânico do compósito, realizou-se um tratamento térmico (pós-cura) de acordo com as informações apresentadas pelos fornecedores da resina. De forma a analisar a resposta mecânica da estrutura compósita efectuaram-se ensaios flexurais em três pontos do espécime, levando alguns à fractura. Com este estudo foi possível avaliar a influência das fibras ópticas no comportamento mecânico da estrutura. A repetibilidade do processo e a boa recuperação dos sensores à deformação sofrida pelos espécimes foi verificada através da realização de ciclos de ensaios. Através do ensaio de tracção efectuado a um espécime sem fibras embebidas foi possível conferir a influência da orientação da malha de reforço de carbono no valor do módulo de elasticidade do material compósito.

ABSTRACT: Composite structures, commonly used in engineering have been requiring adequate structural monitoring in order to assess the reliability and durability of structure and ensure the safety of its use. Moreover, the tendency has been the development of lightweight, compact and low cost systems, allowing the control of various structural parameters associated to possible structural damage detection. This dissertation was focused on the study of the embedding fiber optic sensors in composite with carbon fiber reinforcement developed by VARTM - Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding. The integration of fiber Bragg grating and polymeric optical fiber sensors in the composite allowed the real time monitoring of the composite production process, the cure of the epoxy resin over time and determine its infusion velocity. Since the existence of residual stresses can be limitative to the mechanical performance of the composites, a heat treatment (post-cure) was established according to the information provided by resin suppliers. In order to access the mechanical properties and performance of composite structure, flexural tests were carried out. Some fractured composites were examined in order to evaluate the influence of optical fibers on the mechanical behaviour of the structure. The repeatability of the process and the good response of the sensors to the deformation experienced by the specimens were examined through the implementation of cycle tests. With the tensile test results, performed on a specimen without embedded fibers, it was possible to check the influence of the carbon reinforcement mesh orientation in the value of composite material elasticity modulus.