[发明专利]一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料固化变形的光纤光栅监测领域，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实时监测装置以及植入光栅的预处理和铺设方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和良好的可设计性，在航空航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。然而，在复合材料结构件的固化成型过程中，由于材料热胀或者热缩效应、树脂基体的化学收缩效应、复合材料与模具之间的相互作用等因素的协同影响，往往在复合材料结构件内部产生复杂的内应力，导致脱模后的结构件发生固化变形现象。这种现象严重影响了结构件的性能，降低了产品的合格率。因此，分析纤维复合材料结构件的模内热固化成型和内应力演变过程，进而调控结构件的脱模变形，具有重要的科学意义和工程应用价值。

早期用于检测复合材料固化过程方法主要有动态弹簧法、差示扫描量热法和红外频谱法，其局限在于只能把有限的样片放在一起内进行检测，然后将测量结果作为经验推广到生产实际中，无法实现固化工艺过程中的实时定量监测。后来发展的动态介电分析法可以在线检测数值的粘度变化，但成本较高。

发明内容

本发明为了解决光纤Bragg光栅传感器对温度和应变同时敏感的问题，使其能够准确测得复合材料固化成型过程中的温度变化和材料的变形情况，公开了一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置与方法，实现对复合材料固化变形过程温度与应变的实时监测，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的全寿命周期监测，使研究人员能对固化变形的微观机理和应力传递有更为清晰的认识，实现材料性能的有效控制，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。

一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，包括预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的侧壁框板围成的模腔，在所述的模腔内逐层铺设有预先裁切好的纤维预浸料；在每一层的纤维预浸料上沿着纤维方向铺设有应变光纤Bragg光栅串，且在应变光纤Bragg光栅串的一侧平行的铺设有与其数量相等的温度补偿光栅串，应变光纤Bragg光栅串的引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，与光纤光栅解调仪相连，对传感器网络所采集的数据进行实时监测。

所述的应变光纤Bragg光栅串采用并联与串联相结合的组网方式组成传感器网络，不同波长的光栅串联在一根光纤上形成光栅串，多根光纤光栅串通过耦合器并联在一起。

所述的应变光纤Bragg光栅串和温度补偿光栅串上涂覆有耐高温复合材料。

所述的温度补偿光栅串的各个栅区上套装在不锈钢毛细管内，两端用GD-4双组份胶进行密封。

所述的温度补偿光栅串整个套装在不锈钢毛细管内，一端用GD-4双组份胶密封，另一端处于自由状态。

位于纤维预浸料外部的光纤套入耐高温特氟龙管内，与光纤连接器进行熔接。

在温补光栅串在沿不同方向进行铺设时，间隔多层预浸料，并尽量避免不锈钢毛细管的交叉，同时对毛细不锈钢管下方与上方的预浸料进行处理，保证成型后材料的厚度一致。

与传统固化监测装置相比，光纤传感器体积小、灵敏度高、柔韧性强，可以较为方便地埋入材料中，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。

所述装置的制作方法如下：

步骤一光纤Bragg光栅传感器的制作

(1-1)制作光纤光栅串：

采用相位掩膜的方法在单根光纤上间隔写入多个中心波长不同的光纤Bragg光栅；

(1-2)温补光栅串的保护：

截取不锈钢毛细管，逐个套在温补光栅串的各个栅区上，两端进行密封，常温放置设定的时间后使其完全固化；

或者使用长度大于复合材料预浸料长度的不锈钢毛细管将光栅串全部套入，一端密封，另一端处于自由状态，使得温补光栅在毛细管内可以活动而不受复合材料形变对其的影响；

(1-3)光纤引线的保护处理：

材料外部的光纤留取设定的长度，用于信号的传输，将其套入耐高温特氟龙管对光纤引线进行保护，然后与光纤连接器进行熔接，便于光栅与高速解调仪的连接；

步骤二在复合材料中植入光纤Bragg光栅传感器