于海濤，劉文濤，張金棟，周 蒙，魏 鵬，肇 研

（1.中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150066；2.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

碳纖維復(fù)合材料固化成型過(guò)程中，溫度和應(yīng)變是對(duì)該產(chǎn)品質(zhì)量影響最重要的兩個(gè)控制參量。目前，常用的溫度測(cè)量方法一般有熱電偶溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器，常用的應(yīng)變測(cè)量方法有電阻應(yīng)變片、邁克爾遜干涉儀傳感器、F-P外腔干涉儀傳感器[1-2]、FBG傳感器[3-7]和布里淵光時(shí)域反射計(jì)傳感器。鑒于試驗(yàn)中要監(jiān)測(cè)的復(fù)合材料厚度僅為幾毫米，傳統(tǒng)的溫度應(yīng)變傳感器由于體積較大無(wú)法實(shí)現(xiàn)嵌入式監(jiān)測(cè)，而光纖光柵傳感器具有尺寸小[8]，對(duì)結(jié)構(gòu)鋪層、力學(xué)性能影響小、靈敏度高、測(cè)量溫度、應(yīng)變范圍寬等優(yōu)勢(shì)而被選為本實(shí)驗(yàn)所用溫度和應(yīng)變傳感器。本文提出了一種利用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料固化成型整個(gè)過(guò)程中內(nèi)部的應(yīng)變和溫度的方法。

1 試驗(yàn)原理

1.1 光纖布拉格光柵傳感器工作原理

光纖布拉格光柵的諧振方程為

式中，光纖布拉格光柵波長(zhǎng)λB是光纖布拉格光柵發(fā)射回來(lái)的入射光在自由空間中的中心波長(zhǎng)；neff是光纖纖芯針對(duì)自由空間中心波長(zhǎng)的折射率，Λ是光柵周期，也就是光柵常數(shù)。

可見(jiàn)，光纖光柵的諧振波長(zhǎng)λB取決于光柵周期Λ和纖芯模的有效折射率neff，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵諧振波長(zhǎng)偏移。能夠引起這兩個(gè)參量發(fā)生改變的最直接和常見(jiàn)的因素是應(yīng)變和溫度。因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是擠壓，都將導(dǎo)致光柵周期的改變，并且光柵本身所具有的彈光效應(yīng)也使得光纖的纖芯和包層的折射率發(fā)生改變，從而使光纖的纖芯模的有效折射率neff發(fā)生相應(yīng)改變。因此，單純的應(yīng)變將引起光柵諧振波長(zhǎng)偏移。此外，溫度變化也會(huì)引起諧振波長(zhǎng)漂移，因?yàn)椴牧系臒崦浝淇s，溫度改變會(huì)引起光柵周期改變，由于熱光效應(yīng)，光纖的纖芯和包層的折射率也會(huì)改變，這將引起纖芯模的有效折射率改變。圖1為光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖。

圖1 光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖Fig.1 Basic principle of fiber Bragg grating sensing system diagram

當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變和周?chē)臏囟扔绊懓l(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率neff產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)漂移ΔλB，通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)λB的變化情況，即可獲得測(cè)點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和周?chē)鷾囟鹊淖兓癄顩r。

1.2 碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部溫度應(yīng)變的測(cè)量原理

由于光纖光柵的諧振波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變和溫度的變化都非常敏感，因此溫度、應(yīng)變?nèi)绻瑫r(shí)改變的話(huà)，光纖光柵傳感器則不能將兩種信號(hào)分開(kāi)，對(duì)于溫度測(cè)量可以使用特殊的鋼管將光纖光柵封裝起來(lái)，使其不受外界應(yīng)變的作用而作為單純的溫度傳感器，而應(yīng)變傳感器則無(wú)法使其不受溫度的作用，常用的解決方法是溫度補(bǔ)償法[9-10]，即一根光纖光柵作為傳感光柵不僅受到溫度作用，同時(shí)還受到應(yīng)變作用，另一根不受應(yīng)變作用的封裝光纖光柵作為參考光柵，二者置于相同的溫度環(huán)境中，如圖2所示。

圖2 基于參考光纖光柵法的溫度應(yīng)變分離檢測(cè)示意圖Fig.2 Separating temperature and strain test schematic diagram based on the method of reference fiber Bragg grating

由于溫度變化使得傳感光柵波長(zhǎng)移動(dòng)量和參考光柵波長(zhǎng)移動(dòng)量大小相等，符號(hào)相同；而參考光柵不受應(yīng)變作用，傳感光柵不僅受到溫度作用，同時(shí)還受到應(yīng)變作用，因此傳感光柵的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量中既含有溫度變化因素，又含有應(yīng)變變化因素；將兩只光纖光柵返回的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量做減法處理，就可以很容易地消除傳感光柵溫度變化對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。光柵布拉格反射波長(zhǎng)隨著溫度、應(yīng)變的變化而變化的關(guān)系式為：

對(duì)于參考光柵，由于其不受應(yīng)變的作用，中心波長(zhǎng)變化量Δλ1和溫度該變量ΔT的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：

式（3）中，KT1是參考光柵的溫度靈敏度系數(shù)。而傳感光柵的中心波長(zhǎng)變化量Δλ2和溫度改變量ΔT、應(yīng)變?chǔ)う诺膶?duì)應(yīng)關(guān)系式為：

式（4）中，KT2是傳感光柵的溫度靈敏度系數(shù)，Kε是應(yīng)變靈敏度系數(shù)。（3）、（4）兩式聯(lián)立消去ΔT得：

根據(jù)裸柵的理論應(yīng)變敏感系數(shù)1.2pm/10-6ε，由式（5）給出該點(diǎn)的應(yīng)變值。因此，該監(jiān)測(cè)方法的重點(diǎn)在于合理制備參考光柵。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料及試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)選用U3160/522碳纖維織物增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，織物和預(yù)浸料物理性能分別如表1、表2所示。

光纖布拉格光柵采用耐高溫的表面涂覆聚酰亞胺保護(hù)層光纖光柵，性能參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)中所用的主要儀器及設(shè)備如表4所示。

表1 U3160織物的物理性能

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

表2 U3160/5224預(yù)浸料的物理性能

表3 FBG傳感器的性能參數(shù)

表4 儀器及設(shè)備

本試驗(yàn)檢測(cè)的是L型碳纖維固化成型過(guò)程中內(nèi)部溫度、應(yīng)變的信息，試驗(yàn)所用預(yù)浸料的樹(shù)脂基體為雙馬5224，增強(qiáng)纖維為U3160，在第8、9層之間位置（L型碳纖維總共有16層），選定的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置示意圖如圖3所示。1#、3#傳感器代表封裝后的溫度傳感器，黃色線(xiàn)條代表傳輸光纖，灰色矩形代表封裝后的溫度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)碳纖維成型過(guò)程中內(nèi)部溫度變化，并作為應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償光柵；2#、4#傳感器是裸柵，作為應(yīng)變傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)碳纖維成型過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)變變化。

圖4是L型碳纖維中光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置實(shí)物圖，由左至右，4個(gè)傳感接頭分別對(duì)應(yīng)1#、2#、3#、4#傳感器。

圖3 L型中光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置示意圖Fig.3 Temperature and strain sensors of fiber Bragg grating layout diagram in the L

圖4 L型碳纖維中光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置實(shí)物圖Fig.4 Temperature and strain sensors of fiber Bragg grating pictures in the L

在試驗(yàn)過(guò)程中，熱壓罐內(nèi)的溫壓控制變化首先以1.5℃/min的升溫速率，從室溫升溫至140℃，140℃保溫半小時(shí)，并在10min內(nèi)加壓至0.6MPa，然后繼續(xù)升溫，升到180℃后保溫2h；之后以0.75℃/min的降溫速率降溫，降至常溫，泄壓，出罐，脫模。

2.3 溫度傳感器的封裝

封裝溫度傳感器所使用的管材內(nèi)徑應(yīng)大于光纖光柵的外徑，并且盡可能地減小對(duì)結(jié)構(gòu)鋪層、力學(xué)性能的影響，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上管材的調(diào)研和試驗(yàn)論證，最終確定使用醫(yī)用注射器針頭作為封裝溫度傳感器所用的管子，封裝溫度傳感器如圖5所示，圖5中最上面黃色的線(xiàn)為聚酰亞胺光纖光柵，光纖光柵上標(biāo)記的兩個(gè)黑色點(diǎn)之間是光纖光柵，中間的外徑約為0.73mm、內(nèi)徑約為0.41mm、長(zhǎng)度為3cm的針頭，最下面表示將聚酰亞胺光纖光柵插入針管中。

封裝時(shí)，將聚酰亞胺光纖光柵插入針管針頭之中，兩端涂上高溫膠，在高溫條件下進(jìn)行固化。

2.4 溫度傳感器的應(yīng)變檢測(cè)

使用上述方法封裝的傳感器需要通過(guò)應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)檢測(cè)溫度傳感器封裝是否合格，進(jìn)而提高試驗(yàn)成功率。圖6為試驗(yàn)所用的應(yīng)變檢測(cè)裝置，光纖光柵溫度傳感器通過(guò)502膠水牢牢粘在應(yīng)變梁上，后面紅色示數(shù)代表應(yīng)變梁的撓度。光纖光柵溫度傳感器與解調(diào)裝置相連，檢測(cè)時(shí)通過(guò)改變應(yīng)變梁撓度，觀察并記錄光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變感應(yīng)信息。

圖5 注射器針頭封裝的溫度傳感器Fig.5 Temperature sensor packaged by syringe needle

圖6 應(yīng)變檢測(cè)裝置Fig.6 Strain detecting device

圖7為試驗(yàn)中所用的溫度傳感器的應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出，封裝的光纖光柵溫度傳感器在應(yīng)變梁撓度改變時(shí)，溫度傳感器測(cè)的應(yīng)變大?。肌?×10-6，可以認(rèn)為溫度傳感器不感受應(yīng)變的作用，即封裝合格。

2.5 傳感器的溫度標(biāo)定

圖7 溫度傳感器應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Result of temperature sensor strain detection

應(yīng)變檢測(cè)合格的溫度傳感器和試驗(yàn)所用的應(yīng)變傳感器都要進(jìn)行溫度的標(biāo)定。溫度標(biāo)定使用ESPEC溫箱（溫度范圍-20℃～160℃）進(jìn)行標(biāo)定，在30℃～150℃范圍內(nèi)，每隔30℃標(biāo)定1個(gè)點(diǎn)，來(lái)回1個(gè)循環(huán)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

3 結(jié)果與討論

圖8是嵌入到碳纖維復(fù)合材料中的兩個(gè)光纖光柵溫度傳感器和熱壓罐內(nèi)熱電偶測(cè)得的溫度對(duì)比圖。

從圖中可以看出，1#、3#溫度傳感器與熱電偶的數(shù)據(jù)吻合，說(shuō)明封裝的溫度傳感器測(cè)量效果很好，比較真實(shí)地反映了內(nèi)部溫度的變化過(guò)程。

圖9是L型碳纖維結(jié)構(gòu)件平面處的溫度應(yīng)變傳感器測(cè)得的溫度應(yīng)變歷程圖，圖10是L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處溫度應(yīng)變傳感器測(cè)得的溫度應(yīng)變歷程圖。

表5 傳感器標(biāo)定結(jié)果

圖8 光纖光柵溫度傳感器與熱電偶測(cè)得溫度對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of temperature measured by OFTS and thermocouple

由圖9可以看出，從原點(diǎn)至A點(diǎn)是試驗(yàn)第1階段，為常壓升溫階段，從A點(diǎn)到B點(diǎn)是試驗(yàn)第2階段，為常壓保溫階段，B點(diǎn)為加壓點(diǎn)，從此刻開(kāi)始熱壓罐內(nèi)加壓至6個(gè)大氣壓，B點(diǎn)到C點(diǎn)是試驗(yàn)第3階段，為高壓升溫階段，C點(diǎn)到D點(diǎn)是試驗(yàn)第4階段，為180℃保溫階段，D點(diǎn)到最后是試驗(yàn)第5階段，為自然冷卻降溫階段。從應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系可以看出初始應(yīng)變?yōu)?，隨著溫度升高，光纖光柵首先呈負(fù)應(yīng)變狀態(tài)，這是由于埋植光纖時(shí)對(duì)光纖有一定的預(yù)緊力，當(dāng)溫度上升，樹(shù)脂粘度逐漸下降變?yōu)檎沉鲬B(tài)時(shí)，這部分拉應(yīng)力得到釋放，表現(xiàn)為應(yīng)變向負(fù)方向移動(dòng)。緊接著樹(shù)脂升溫體積膨脹，光纖光柵呈正應(yīng)變狀態(tài)，應(yīng)變曲線(xiàn)在升溫階段的最低點(diǎn)為加壓點(diǎn)，由于突然的加壓產(chǎn)生壓應(yīng)變，加壓之后，樹(shù)脂經(jīng)過(guò)擠壓向邊緣流動(dòng)，同時(shí)隨著溫度繼續(xù)升高，拉應(yīng)變繼續(xù)增大。D點(diǎn)之前，樹(shù)脂的交聯(lián)反應(yīng)完成，復(fù)合材料作為統(tǒng)一的整體只受到升溫膨脹作用的影響。D點(diǎn)之后，應(yīng)變又出現(xiàn)了反常的向正方向增大現(xiàn)象，原因可能還是由于降溫速率偏快。復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維與基體樹(shù)脂的質(zhì)量比約為2:1，而比熱容比約為1:2，即降低相同的溫度二者釋放的熱量相近。然而碳纖維的熱導(dǎo)率比環(huán)氧樹(shù)脂大得多，熱量耗散也快很多，因此在降溫初始階段，光纖光柵所反映的應(yīng)變變化主要是碳纖維的變化，而碳纖維熱膨脹系數(shù)為負(fù)數(shù)，所以出現(xiàn)了應(yīng)變向正方向移動(dòng)現(xiàn)象。E點(diǎn)之后，由于上一階段碳纖維的熱量過(guò)快耗散，光纖光柵主要反映樹(shù)脂冷卻收縮而出現(xiàn)的壓應(yīng)變。

圖9 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件平面處溫度、應(yīng)變歷程圖Fig.9 Changing process of temperature and strain on L type carbon fiber structure plane

在圖10中，降溫階段之前與圖10相似，初始應(yīng)變?yōu)?，D點(diǎn)之前完成固化反應(yīng)，E點(diǎn)之后出現(xiàn)的應(yīng)變抬高是因?yàn)楣鈻疟旧砑仁艿娇v向應(yīng)變影響又受到橫向應(yīng)變影響，降溫階段縱向和橫向都發(fā)生收縮，縱向收縮壓縮光柵，應(yīng)變減小；橫向收縮拉長(zhǎng)光柵，應(yīng)變?cè)龃?。橫向收縮占主導(dǎo)則應(yīng)變測(cè)量結(jié)果增大發(fā)生抬高，縱向收縮占主導(dǎo)則應(yīng)變測(cè)量結(jié)果降低，二者相互作用相互影響，從圖10和圖11中的光柵應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變曲線(xiàn)波浪形態(tài)可見(jiàn)其影響；另外這也可能是預(yù)浸料所用樹(shù)脂和聚酰亞胺光纖光柵結(jié)合性較差[11]，光柵在碳纖維里面發(fā)生松動(dòng)造成了應(yīng)變抬高。

由于在降溫過(guò)程中，樹(shù)脂體積收縮是由溫度變化控制的，所以建立光纖布拉格光柵應(yīng)變變化與溫度變化的關(guān)系十分重要[12-13]，圖11給出了L型碳纖維結(jié)構(gòu)件整個(gè)固化成型工藝過(guò)程中拐角處光纖布拉格光柵應(yīng)變隨溫度變化的關(guān)系圖。

圖10 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處溫度、應(yīng)變歷程圖Fig.10 Changing process of temperature and strain on L type carbon fiber structure corner

由圖11可以看出，A到B這一段，由于碳纖維還未發(fā)生完全固化，監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變大小幾乎為零，B到C這一段降溫過(guò)程中，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間后固化處理的完全固化樹(shù)脂僅承受溫度降低導(dǎo)致的體積變化[14-15]，反向增大，D點(diǎn)之后應(yīng)變反向減小。

圖11 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處應(yīng)變隨溫度變化歷程圖Fig.11 Strain variation with temperature on L type carbon fiber structure corner

4 結(jié)論

利用兩個(gè)光纖光柵傳感器，一個(gè)作為參考光柵不受應(yīng)變作用僅測(cè)量溫度，另一個(gè)作為傳感光柵監(jiān)測(cè)碳纖維固化成型過(guò)程中各個(gè)階段內(nèi)部的應(yīng)變變化情況。結(jié)果表明，溫度測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)變測(cè)量結(jié)果合理并且可以得到解釋?zhuān)词褂脙蓚€(gè)光纖光柵，利用溫度補(bǔ)償方法監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料固化成型過(guò)程中的溫度應(yīng)變完全可行。

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