[发明专利]一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种先进树脂基复合材料热模压固化变形的光纤Bragg光栅测试装置以及内植纤细传感器的复合材料与模具的脱离方法，具体涉及一种预先埋植光纤Bragg光栅的纤维增强树脂基复合材料结构件在热模压制造工艺中固化变形的测试装置以及内植光纤Bragg光栅的复合材料和全刚性闭式模具的脱离方法。

背景技术

近年来，纤维增强树脂基复合材料以其良好的耐疲劳特性、高比强度和比模量、突出的多功能性和减振性能以及独特的可设计性等特点，在航空航天、汽车、舰船、建筑等领域得到广泛应用。特别地，复合材料密度低，尤其是碳纤维/树脂复合材料的密度仅约为1.6g/cm³，远远小于钢或铝合金材料的密度，对飞机和汽车的减重有显著效果。因此，复合材料在汽车或飞机中的使用比例逐步增加，例如，波音B787以及空客A350-XWB中复合材料的用量超过飞机结构重量的50％。

在先进复合材料广泛应用的同时，其结构设计、成型制造以及使役健康监测已经成为需要突破的关键技术。在树脂基复合材料的成型过程中，通常由于材料体系的热胀效应、树脂基体的化学收缩效应、复合材料与模具在热膨胀系数上的显著差异的协同作用，在复合材料内部会产生复杂的内应力，脱模后由于内应力的释放而导致复合材料结构件的尺寸和形状与预期之间有偏差，即发生了所谓的固化变形现象。并且复合材料结构件在使用过程中，受到各种各样的载荷，内部应力传递、裂纹的萌生及演化也成为人们关注的焦点。

早期人们就采用多种方法研究树脂基复合材料的固化过程，其中包括动态差示扫描量热法、介电法、动态弹簧法以及红外频谱法。但是这些方法不仅测量精度低、成本高，而且仅仅能对小型的样品进行测量，故在实际生产中不能得到广泛应用。与传统固化监测装置相比，光纤传感器体积小、灵敏度高、可以较为方便地埋入预浸料或干态纤维中，在实时动态监测复合材料固化过程中的温度、应变等参数方面具有特别明显的优势。此外，光纤对成型后复合材料的力学性能影响小。不同机理的光纤传感器有不同的固化过程监测原理，用于树脂基复合材料固化过程监测的主要有以下几种光纤传感器：光纤折射率传感器、红外吸收光谱光纤传感器、光纤微弯传感器、光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器、光纤Fabry-Perot传感器。采用FBG传感器进行固化过程监测可以实时地直接获取材料内部的温度状态、应变状态，经过数据处理还可以得到固化后复合材料的热膨胀系数等重要的材料热物理性质，有助于纤维复合材料及其固化工艺过程的优化设计。

FBG传感器具备了光纤传感器的一系列优点，比如体积小、质量轻、灵敏度高、耐高温、能长时间进行原位在线监测以及和纤维增强材料的兼容能力强等。当然，FBG传感器也存在一些缺点，比如，当FBG传感器长时间地暴露在水汽或者应力环境中的时候容易遭到破坏。另外，当缺乏温度补偿传感器时，从FBG传感器的反射波长图谱中难以将温度引起的影响和应变引起的影响分离开来。此外，栅区部位为测量敏感部件，脆弱易断，一旦光栅的栅区折断就会造成无监测信号。在把光纤光栅的栅区铺设进复合材料后，还须注意光纤从全刚性的封闭模具中的引出方式；由于光纤抗剪切性能差，所以尽量保证其不受剪切力；光纤引线不宜折弯，因为弯曲会造成光强损耗，导致信号不易探测。

为了保证FBG传感器能有效地对纤维增强树脂基复合材料在全刚性闭式模具中的热模压固化过程以及固化完成后复合材料结构件受载使役过程进行全寿命周期监测，使研究人员能对固化变形的微观机理和应力传递以及损伤破坏规律有更为清晰的认识，从而使先进树脂基复合材料结构件能更为安全可靠地应用于更多的领域，制备出一种装置能用来测试内植光纤Bragg光栅的复合材料在热模压制造工艺中固化变形的意义重大。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法，解决FBG传感器在复合材料热模压固化变形监测时栅区脆弱易断以及在封闭的全刚性热模压模具中若引线不当则造成监测信号不能有效传输的问题，同时针对内植FBG传感器的复合材料结构件和全刚性模具的脱离困难问题。

本发明采取的技术方案为：