[发明专利]一种复合材料固化度实时监测方法

说明书

一种基于折射率实时分离的固化度在线监测方法。该方法通过光纤传感器监测复合材料在固化过程中的折射率，同时实时分离复合材料固化和温度变化对折射率的影响，实现复合材料微波固化进程的实时监测。它通过实时监控复合材料固化进程对于提高复合材料的成型质量，缩短成型周期和降低生产能耗具有重要意义。针对现有技术无法实时监测复合材料固化进程的难题，本发明提出此方法在折射率测量、复合材料固化监测等技术领域具有广阔的市场价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及光纤传感与监测技术领域，具体地说是一种复合材料固化过程中的固化度在线监测方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料具有高比强度与比刚度、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优点，在航空领域得到广泛的应用。随着航空技术的发展，复合材料的成型质量要求也越来越高。目前，纤维增强的树脂基复合材料零件主要采用热压罐固化，而固化质量对零件的最终性能起到了决定性的作用。

在复合材料固化成型过程中，影响零件质量的因素十分复杂。为了实现复合材料的高质量成型，需要严格控制固化工艺，而工艺的确定往往与树脂基体的固化状态相关。目前航空零件主要采用预浸料生产厂家提供的半固化状态的预浸料成型，由于固化过程中温度分布差异、预浸料生产批次控制差异或储存差异，复合材料零件在标准生产工艺下的响应状态发生变化，固定的生产工艺已难以满足实际生产需求。

在固定的生产工艺下，过快的固化速率会缩短树脂流动的时间，使得复合材料内部的纤维不能完全浸润，产生干斑、高的孔隙率和大量残余应力，显著降低其力学性能。过慢的固化速率会使得复合材料生产周期增长，生产成本增加。因此，对纤维增强的树脂基复合材料固化过程中的固化度进行在线监测，有助于对热固性树脂固化行为的研究，实现工艺参数的实时控制和调整，保证成型质量。

目前，传感技术主要分为介电传感和光纤传感。介电传感器通过测量两电极之间树脂的导电率来表征树脂的固化过程，但是该类传感器不能用于导电纤维类复合材料的固化监测，如碳纤维增强的树脂基复合材料。光纤传感器具有极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容、尺寸小等优点，在复合材料传感与监测领域得到了广泛的应用。

光纤固化监测技术主要有两类：光谱技术和折射技术。光谱技术通过测量树脂光谱在特定官能团的吸收、散射来反映树脂的固化进程，该类技术的主要技术缺陷是光纤传感结构容易受应力的影响，无法实现在线式测量，该技术尚未得到实际的应用。

折射技术具有成本低、简单易行，可同时反映树脂物理状态和化学状态变化等优势，在复合材料固化监测领域具有明显的优势和良好的应用前景。该技术通过测量树脂固化引起的折射率变化来反映复合材料的固化过程，但是折射率同时受树脂固化和温度变化两因素的影响，难以直接反映复合材料固化度的变化。在现有的公开报道中，消除温度对树脂折射率的影响主要由两种方法，第一种方法是将复合材料在等温的工艺下进行固化，但是该方法不能用于变温固化工艺。第二种方法是采用离线的方法同时测量树脂折射率和固化度，建立两者之间的对应关系，但是该方法普适性低，当材料或工艺发生变化时，相应的关联关系不再适用。

发明人经过悉心实验和理论研究，提出一种复合材料固化度在线监测方法。通过光纤实时监测复合材料在固化过程中的折射率，实时分离由于复合材料固化和温度变化引起的折射率，以复合材料固化引起的折射率变化量表征固化度的变化规律。通过阶跃式升/降温方法(在升/降温过程中设置多个微小保温平台)从监测到的折射率中实时分离出仅由固化引起的折射率变化规律，然后将其归一化处理实时获得固化度。

发明人已有实验案例表明：利用此方法进行碳纤维/环氧复合材料固化度的在线监测测量准确率达97％以上。相比于已公开报道的两种方法，该方法从根本上解决了复合材料固化度无法在线监测的难题，具有简单易行，且低成本的特点，具有很好的应用前景和商业价值。

发明内容