[发明专利]一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置

说明书

本发明提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置，方法包括：利用FBG传感器替换待测位置对应的纬纱中的部分纤维；拉动所述FBG传感器使其光栅段固定至待测位置；开始纺织送纱，使经纱包裹包含有FBG传感器的纬纱进而生成三维机织预制体；将所述三维机织预制体放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器的波长变化得到材料的温度变化。本发明可以对三维机织复合材料结构固化成型过程中的温度场及其演化历程进行实时监测。

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，尤其涉及一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置。

背景技术

三维机织复合材料除具有高比强度、高比模量，还具有传统层合复合材料所缺乏的抗分层、抗冲击等性能。但由于其组分相力学、热力学性能差异较大等各方面因素影响，易引起内部残余应力、应变，由于对于具有较大厚度的制件，在固化成型过程中极易出现受热不均匀、温度梯度等情况，从而导致三维机织复合材料出现成型变形，降低制件成型质量。因此需在成型过程中对三维机织复合材料内部温度场进行监测，获得温度分布及演化数据，以对模具、工艺制度进行优化调整，提高产品质量。

现有复合材料成型过程温度场测量主要采用热电偶及光纤布拉格光栅传感器(FBG)，其中热电偶尺寸较大，不易预埋在复合材料内部，且易受电场影响；FBG传感器脆弱易断，尤其在压、弯、剪载荷下极易发生破坏，现有技术将其放置在复合材料两层之间，因此仅能对层合复合材料进行监测。而三维机织复合材料通过纺织技术，将增强纤维束(碳纤维、玻璃纤维等)形成具有三维空间结构的预制体，再通过液体模塑成型工艺(LCM，如RTM，VARTM等)复合形成复合材料，具有一体化结构。现有技术难以实现对三维机织复合材料成型过程内部温度场的监测。

发明内容

根据上述提出的现有技术难以实现对三维机织复合材料成型过程内部温度场的监测问题，而提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法。本发明基于FBG传感器，结合三维纺织技术，可以实现传感器在三维机织复合材料中的预埋及温度场测量。

本发明采用的技术手段如下：

一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，包括：利用FBG传感器替换待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当；拉动所述FBG传感器使其能够沿纬纱的延伸方向往复运动并最终将FBG传感器的光栅段固定至待测位置；开始纺织送纱使经纱包裹包含有FBG传感器的纬纱进而生成三维机织预制体；将所述三维机织预制体放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器的波长变化得到材料的温度变化。

本发明还提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测装置，用于执行上述的方法，包括：FBG传感器，所述FBG传感器替换三维机织预制体待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当，所述FBG传感器的光栅段固定至待测位置；光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接所述FBG传感器的光纤以采集成型过程中FBG传感器的波长变化；以及计算机，所述计算机用以分析和存储所述光纤光栅解调仪采集的数据。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明中在三维机织复合材料中埋入FBG传感器，不会对三维机织预制体造成破坏及损伤，对三维机织复合材料的力学性能几乎不产生影响。

本发明能够大大提高FBG传感器的强度，从而提高其埋入三维机织复合材料的存活率，从而降低试验监测成本。

本发明能够实现对三维机织复合材料成型过程中的温度场及其演化历程的监测，从而实时获得三维机织复合材料成型过程中的温度场梯度情况，并据此对复合材料工艺制度进行改进，以提高复合材料产品的成型质量及降低制造成本。

本发明埋入FBG传感器后，可将其一直保留在三维机织复合材料制件中工作，从而实现对制件服役期间的温度情况进行监测。