Microstructured optical fibre bragg grating sensors for production and health monitoring of carbon fiber reinforced polymer materials and structures

Le suivi santé-matière des matériaux et des structures s est révélé, au cours de ces dernières années, un sujet majeur de recherche, notamment dans le domaine des matériaux composites. Ces matériaux à haute performance sont de plus en plus utilisés pour les structures mécaniquement très sollicitées telles que les avions et les turbines éoliennes. Afin de vérifier que leur intégrité n est pas compromise, des systèmes permettant la surveillance in-situ de leur santé-matière sont développés. Ce mémoire de thèse a pour objectif de concevoir des matériaux composites intelligents en utilisant une nouvelle sorte de capteur à fibre optique basée sur les fibres optiques micro-structurées (MOFs) hautement biréfringentes associée à la technologie particulière des réseaux de Bragg. La fibre utilisée dans ce travail présente une biréfringence de phase pratiquement insensible aux variations de température et une sensibilité accrue à la déformation transversale. Nous avons évalué la tenue mécanique et les modes de défaillance des MOFs afin de définir les gammes de contraintes mécaniques auxquelles ces fibres optiques peuvent être soumises sans endommagement sous différentes sollicitations. Puis nous avons développé un capteur in-situ permettant de quantifier les déformations tridimensionnelles au sein d un matériau composite avec une résolution de l ordre de 5 m dans les directions transverses. Enfin, nous avons démontré la possibilité d utiliser ces capteurs MOF pour identifier les changements d état du matériau composite pendant le cycle de cuisson et pour quantifier le développement des déformations résiduelles dans le matériau composite pendant sa fabrication.Structural health monitoring (SHM) has emerged as an exciting topic for multi-disciplinary research and development in the field of composite materials. These high-performance materials are increasingly being used in highly mechanically loaded structures such as aircrafts and wind turbines. To ensure that their integrity is not compromised, new systems that enable in-situ SHM are currently developed. This PhD thesis contributes to the development of smart composite materials using a novel type of optical sensor based on Bragg gratings in highly birefringent microstructured optical fibre (MOF). The MOF used in this PhD work is highly asymmetric and has been designed such that its phase modal birefringence features sensitivity to transverse strain that is one order of magnitude larger than that reported in literature, whilst being quasi-insensitive to temperature changes. Our objective is to demonstrate the capabilities of our sensors for smart material applications, and to do so we integrate our sensors inside carbon fibre reinforced polymer materials. First, we evaluate the mechanical strength of our MOFs in order to define the mechanical stress range to which MOFs can be submitted without being damaged. Then, we propose a multi-strain sensor using our MOF in order to assess the multi-axial strain field within the composite material with a strain resolution of 5 m in the transverse directions. Finally, we demonstrate the possibility to use these MOF sensors to identify the material state changes during the cure cycle of a composite and we prove that we are able to estimate the residual strain built up within the composite as a result of the manufacturing.CAEN-BU Sciences et STAPS (141182103) / SudocSudocFranceF