王奕首，李煜坤，吳 迪，孫 虎，卿新林

（1.廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門(mén)361005；2.中國(guó)運(yùn)載火箭研究院研究發(fā)展中心，北京100076）

先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)、易于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、海洋艦艇、石油化工及土木建筑等領(lǐng)域的大型工程結(jié)構(gòu)[1-5]。然而，由于設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)技術(shù)的限制，復(fù)合材料在大型結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的優(yōu)越性能還遠(yuǎn)沒(méi)有充分發(fā)揮，制造成本過(guò)高與產(chǎn)能太低是大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中需要解決的主要問(wèn)題[6]。液體成型（Liquid Composite Molding, LCM）制造工藝適合制造復(fù)雜的大型三維結(jié)構(gòu)，具有低成本與大批量生產(chǎn)的潛力[7-8]。常見(jiàn)的LCM工藝有樹(shù)脂傳遞成型（Resin Transfer Molding, RTM）、真空輔助傳遞成型（Vacuum Assistance Resin Transfer Molding, VARTM）和真空輔助樹(shù)脂注入成型（Vacuum Assistance Resin Infusion, VARI）。但液體成型技術(shù)在大型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)上應(yīng)用仍需要解決不少難題[9]，如成型工藝固化過(guò)程缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制手段，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。目前，液體成型過(guò)程的固化參數(shù)多是通過(guò)樹(shù)脂數(shù)據(jù)表，多次調(diào)整和依靠廣泛試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，以足夠高的保守裕度來(lái)保證復(fù)合材料完全固化[10]。

為了保證復(fù)合材料成品質(zhì)量及生產(chǎn)的可重復(fù)性，需要對(duì)復(fù)合材料固化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)[11]，確保固化過(guò)程中各部分固化充足、積累的殘余應(yīng)力和非均勻溫度樹(shù)脂轉(zhuǎn)換引起的應(yīng)變盡可能小，控制復(fù)合材料固化溫度避免熱降解，降低完全固化的總時(shí)間[12]。使用永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（Structural health monitoring, SHM）是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、服役及維護(hù)的全壽命周期中都可以發(fā)揮非常重要的作用[6-7,13-15]。本文面向復(fù)合材料液體成型制造，綜述復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要研究進(jìn)展，首先分析了復(fù)合材料固化過(guò)程中可監(jiān)測(cè)的物理量；然后結(jié)合復(fù)合材料固化過(guò)程中出現(xiàn)的物理化學(xué)反應(yīng)特性，重點(diǎn)論述了基于光纖方法、超聲方法、電學(xué)方法和熱學(xué)方法的在線原位監(jiān)測(cè)技術(shù)及其各自的技術(shù)特點(diǎn)，以及在SHM技術(shù)中的應(yīng)用；最后討論了復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的問(wèn)題。

復(fù)合材料液體成型固化過(guò)程及主要工藝參數(shù)

復(fù)合材料液體成型固化過(guò)程伴隨著一系列復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，如熱傳遞、質(zhì)量傳遞、流變反應(yīng)和聚合反應(yīng)，同時(shí)還涉及液態(tài)到橡膠態(tài)、橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的相變。因此，固化過(guò)程中樹(shù)脂的機(jī)械性能和流變性能一直在發(fā)生變化[16]。如果固化過(guò)程中相關(guān)參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而產(chǎn)生目不可檢的缺陷或隱含的損傷（如開(kāi)裂、磨損、水解或老化）；同時(shí)復(fù)合材料與模具的相互作用也會(huì)產(chǎn)生較高殘余應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料形狀扭曲、翹曲變形、基體裂紋和部件內(nèi)部分層等缺陷[17]，這些因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，甚至浪費(fèi)原料[18]。復(fù)合材料LCM固化時(shí)伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使得固化過(guò)程難以進(jìn)行精確的理論分析，但為使用多種物理化學(xué)方法來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過(guò)程提供了機(jī)會(huì)。本節(jié)主要介紹復(fù)合材料固化動(dòng)力學(xué)模型以及在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)中經(jīng)常監(jiān)測(cè)的物理量。這些物理量有助于人們了解復(fù)合材料固化過(guò)程的機(jī)理及其對(duì)成品質(zhì)量的影響，是選擇監(jiān)測(cè)方法和設(shè)計(jì)傳感器的重要依據(jù)。

1 固化度及固化動(dòng)力學(xué)模型

樹(shù)脂的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是采用數(shù)學(xué)形式在理論上確定已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)化速率的關(guān)系，是設(shè)計(jì)成型工藝和優(yōu)化工藝參數(shù)的先決條件之一。樹(shù)脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)普遍采用唯象法，即采用一些經(jīng)驗(yàn)性的模型方法作為樹(shù)脂固化動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)方程[19-20]。固化度是固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)最直觀的表現(xiàn)，是判斷固化是否完成的直接準(zhǔn)則，如果不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，易造成未固化和過(guò)固化。盡管樹(shù)脂供應(yīng)商會(huì)提供樹(shù)脂固化度的信息，但環(huán)境和模具形狀差異導(dǎo)致了這些信息應(yīng)用具有一定的局限性。因此，若能在固化過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握樹(shù)脂的固化特性，有助于控制材料放熱和預(yù)測(cè)固化度，進(jìn)而設(shè)計(jì)和優(yōu)化固化時(shí)間、溫度條件等[21]。

在固化動(dòng)力學(xué)過(guò)程中，最常見(jiàn)的普式動(dòng)力學(xué)方程為：

式中，f（α）為固化機(jī)理函數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。K（T）為固化速率系數(shù)，用阿累尼烏斯方程表示：

式中，A為頻率因子；E為活化能；R為普適氣體常數(shù)；T為溫度。常用的固化機(jī)理函數(shù)分為3種，如表1所示，其中α代表固化度，n和m為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

固化度監(jiān)測(cè)及固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的常用方法有差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry,DSC）、超聲方法、電學(xué)方法和光纖方法。但DSC儀器只能通過(guò)測(cè)量非常小的試件的熱流變化來(lái)得到固化度及固化動(dòng)力學(xué)特性，不適合實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過(guò)程[19,22]。

2 其他主要監(jiān)測(cè)量

復(fù)合材料固化過(guò)程中殘余應(yīng)力、內(nèi)部溫度和流動(dòng)前沿等參量同固化特性和最終成品質(zhì)量密切相關(guān)。復(fù)合材料固化時(shí)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有3種原因：（1）基體和增強(qiáng)纖維之間熱膨脹系數(shù)不同；（2）固化時(shí)基體的體積收縮；（3）模具和復(fù)合材料固化件之間界面的相互作用[23-24]。殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能，因此需要在復(fù)合材料固化過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部應(yīng)變，進(jìn)行工藝優(yōu)化來(lái)提高復(fù)合材料成品質(zhì)量[25]。一般可采用光纖傳感器（如嵌入光纖波長(zhǎng)調(diào)制型、相位調(diào)制型和分布式）實(shí)時(shí)獲得固化過(guò)程中殘余應(yīng)力的演變過(guò)程。

目前，復(fù)合材料固化的自催化模型仍然為半經(jīng)驗(yàn)公式，需要深入研究來(lái)掌握溫度與固化度之間的定量關(guān)系，特別是固化時(shí)內(nèi)部溫度信息[26]。內(nèi)部溫度控制不當(dāng)，固化產(chǎn)生熱會(huì)造成局部過(guò)固化，同時(shí)局部過(guò)熱會(huì)加重殘余應(yīng)力的產(chǎn)生[27]。內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)最簡(jiǎn)單易行的方法就是熱學(xué)方法，但局限性較大。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，采用光纖監(jiān)測(cè)溫度是一個(gè)很有前景的方法。

復(fù)合材料LCM技術(shù)是將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中，或加熱融化預(yù)先放入模腔中的預(yù)浸料，使液態(tài)聚合物在流動(dòng)充模的過(guò)程中同時(shí)完成樹(shù)脂纖維固化成型為制品的技術(shù)[28]。在復(fù)合材料成型LCM工藝樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維的過(guò)程中，由于纖維層排布或模具等干擾，會(huì)使樹(shù)脂流動(dòng)不充分，造成局部干斑和局部未浸潤(rùn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響復(fù)合材料成品的整體性能[29]。因此，需要對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)前沿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)追蹤樹(shù)脂流動(dòng)位置，以便更好地調(diào)整工藝，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 固化反應(yīng)中常用唯象反應(yīng)模型

綜上所述，復(fù)合材料液體成型固化過(guò)程主要監(jiān)測(cè)固化度、溫度、殘余應(yīng)力和流動(dòng)前沿4個(gè)物理量，它們之間的直接相互關(guān)系及監(jiān)測(cè)方法如表2所示。

復(fù)合材料LCM固化過(guò)程在線監(jiān)測(cè)方法

基于固化過(guò)程中的不同物理化學(xué)原理，復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測(cè)方法有多種，但每一種方法只能監(jiān)測(cè)部分參數(shù)，具有一定的局限性，在使用時(shí)要根據(jù)具體條件進(jìn)行選擇評(píng)估。本文根據(jù)監(jiān)測(cè)原理將在線監(jiān)測(cè)分為光纖、超聲、電學(xué)和熱學(xué)4類(lèi)，本節(jié)重點(diǎn)綜述這4種方法在復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 光纖傳感監(jiān)測(cè)方法

光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高和監(jiān)測(cè)量多等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[30-32]。光纖傳感器同樣適合于復(fù)合材料固化監(jiān)測(cè)，根據(jù)信號(hào)調(diào)制方式將光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制和分布式等類(lèi)型。

基于強(qiáng)度性光纖傳感器是根據(jù)菲涅爾定律或漸逝場(chǎng)現(xiàn)象，有部分光/電磁波折射出光纖，造成光強(qiáng)度衰減。強(qiáng)度調(diào)制型傳感器主要用來(lái)監(jiān)測(cè)固化度和樹(shù)脂流動(dòng)，如Doyle等[33]用裸光纖進(jìn)行復(fù)合材料固化度原位化監(jiān)測(cè)；Lekakou等[34]（2006年）使用漸逝波光纖傳感器得到玻璃復(fù)合材料固化時(shí)表面和內(nèi)部樹(shù)脂流動(dòng)前沿位置和固化度；Wang等[35]（2012年）使用基于菲涅爾定律的光纖傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料LCM生產(chǎn)過(guò)程中樹(shù)脂注入時(shí)的二維橫向流動(dòng)分布及固化度。一般地，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，但信號(hào)易受光源影響、精度低。

相位調(diào)制傳感器主要用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化時(shí)內(nèi)部溫度和殘余應(yīng)力大小，是利用固化時(shí)環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致光纖中光波相位變化的原理。最適合應(yīng)用在固化監(jiān)測(cè)中的是非本征光纖Fabry-Perot干涉?zhèn)鞲衅鳎‥xtrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI）。Mahendran等[36]（2009年）設(shè)計(jì)了3種基于傅立葉變換紅外光譜調(diào)制的EFPI傳感器，更進(jìn)一步設(shè)計(jì)出基于EFPI傳感器和毛細(xì)管組合的多功能傳感器，以更精確監(jiān)測(cè)固化過(guò)程中復(fù)合材料內(nèi)部溫度、殘余應(yīng)力、固化度和功能團(tuán)濃度等[37]。Archer等[38]也做了類(lèi)似工作?？傮w而言，相位調(diào)制型傳感器監(jiān)測(cè)精度高、參數(shù)多，但傳感器設(shè)計(jì)復(fù)雜、信號(hào)處理麻煩。

表2 各物理量之間聯(lián)系對(duì)比

波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器是利用固化時(shí)外界因素會(huì)對(duì)傳輸光波的波長(zhǎng)造成影響的原理。常見(jiàn)的傳感器有布拉格光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）和長(zhǎng)周期光柵傳感器，對(duì)固化過(guò)程主要參數(shù)都可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Tian等[39]和Buggy等[40]將這兩類(lèi)傳感器埋入復(fù)合材料中以原位監(jiān)測(cè)固化度；Eum等[41]（2007年）使用FBG傳感器實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)VARTM中復(fù)合材料固化時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)前沿、應(yīng)變和溫度；Nielsen等[23]（2014年）使用多個(gè)拉絲塔光柵FBG傳感器也做了類(lèi)似工作，驗(yàn)證了FBG用于復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測(cè)的可靠性。FBG在復(fù)合材料LCM的一個(gè)典型應(yīng)用如圖1[42]所示，其中紅綠編號(hào)處為兩條不同的光纖，各編號(hào)代表不同的FBG傳感器。綜上可知，F(xiàn)BG傳感器具有監(jiān)測(cè)量廣、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且特別適合使用在整體SHM技術(shù)中，但是溫度和應(yīng)變參數(shù)分離較復(fù)雜、動(dòng)態(tài)范圍較小。

前3種方法的監(jiān)測(cè)范圍一般為點(diǎn)，對(duì)于大范圍測(cè)量，需要布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，線路復(fù)雜、可靠性低，分布式傳感器可以克服這些缺點(diǎn)。

Shu等[43]（2011年）采用布里淵散射光時(shí)域反射分布式傳感系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)VARTM生產(chǎn)過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)前沿、應(yīng)變和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將分布式傳感器永久集成于復(fù)合材料中，使成品具有SHM功能，但對(duì)損傷定量分析精確度還有待提高。Ito等[44]（2012年）研制了混合布里淵-瑞利光時(shí)域分布傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固化時(shí)溫度和應(yīng)變的獨(dú)立測(cè)量，在等溫和非等溫兩種溫度載荷下監(jiān)測(cè)，所得結(jié)果與布拉格光柵傳感器的結(jié)果相比，精度達(dá)98%左右。分布式傳感系統(tǒng)中，光頻域反射計(jì)比光時(shí)域反射計(jì)有更高的精度和空間分辨率。Sánchez等[45]（2015年）應(yīng)用基于光頻域反射計(jì)的分布式傳感系統(tǒng)在VARI中精確地監(jiān)測(cè)到樹(shù)脂流動(dòng)前沿，并根據(jù)溫度補(bǔ)償結(jié)果計(jì)算了固化時(shí)殘余應(yīng)力的積累，識(shí)別出玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和脫模過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，以分布式光纖傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)LCM過(guò)程，本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)變形或溫度變化引起空間光信號(hào)波動(dòng)，根據(jù)散射信號(hào)得到固化參數(shù)。

綜上所述，光纖傳感方法與其他方法相比，材料與增強(qiáng)纖維相近，嵌入對(duì)成品性能影響小、靈敏度高、免疫電磁，非常適合用于SHM技術(shù)，且SHM結(jié)構(gòu)較其他相比監(jiān)測(cè)范圍大、精度高，但光纖連接口設(shè)計(jì)較復(fù)雜。光纖傳感器一般只能對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于多參數(shù)需要實(shí)施溫度補(bǔ)償或應(yīng)變隔離。

圖1 FBG傳感器埋入汽車(chē)控制臂Fig.1 Embeded FBG sensors in the vehicle control arm

2 超聲方法

在復(fù)合材料液體成型固化過(guò)程中，基體材料發(fā)生相變，導(dǎo)致了模量變化和能量吸收，因此模量是反映固化狀態(tài)的重要參數(shù)。超聲固化監(jiān)測(cè)是利用超聲波速與密度和模量的相互關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量超聲波的速度和衰減來(lái)獲取固化信息[46]。已有研究表明低強(qiáng)度超聲波可用于監(jiān)測(cè)高分子材料模量變化，如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換、結(jié)晶、交聯(lián)反應(yīng)或其他關(guān)于粘彈性的物理化學(xué)變化，如凝膠態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)[47]。

按照超聲傳感器放置位置不同，將超聲監(jiān)測(cè)分為接觸式（CT）和非接觸式（NCT）。兩種方法均可使用脈沖回波和收發(fā)傳輸兩種模式，但都需要精準(zhǔn)測(cè)量試件的厚度。

2.1 接觸式超聲監(jiān)測(cè)

傳感器直接與未固化材料接觸，操作簡(jiǎn)便、結(jié)果直觀。Maffezzoli等[48]（1999年）最先使用10MHz頻率的脈沖回波法來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化時(shí)的動(dòng)態(tài)機(jī)械性能，通過(guò)對(duì)比等溫和非等溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到固化模型的機(jī)械性能和固化度，其結(jié)果與DSC結(jié)果一致。Vogt等[49]（2003年）在金屬線中通入超聲導(dǎo)波，并采用兩種不同方法得到了復(fù)合材料固化度，第一種是利用低頻超聲導(dǎo)波進(jìn)入固化材料時(shí)的反射波信息；第二種是利用高頻導(dǎo)波的衰減信息。試驗(yàn)證實(shí)這兩種方法都有很高的精度。此外，超聲方法還能用于探測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)前沿，如Schmachtenberg等[50]（2005年）使用4MHz正透射超聲波探頭，監(jiān)測(cè)RTM工藝中樹(shù)脂流動(dòng)前沿和固化度。但這些方法都存在一個(gè)共同問(wèn)題，即無(wú)法精確得到試件厚度上的變化。為解決該問(wèn)題，Lionetto等[51]（2004年）和Pindinelli等[52]（2002年）將超聲探頭集成在平行盤(pán)形流變計(jì)上，試件像三明治樣夾在傳感器中間，其厚度可以被集成流變計(jì)系統(tǒng)精確測(cè)量。

2.2 非接觸式監(jiān)測(cè)

雖然接觸式超聲測(cè)量技術(shù)已經(jīng)證實(shí)了其監(jiān)測(cè)的可靠性及靈敏性，但實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性，例如界面需要耦合劑，否則將造成較大的時(shí)間誤差和波形的改變，最終影響到波速測(cè)量的準(zhǔn)確性。但是過(guò)多耦合劑會(huì)妨礙固化過(guò)程，甚至?xí)斐扇毕?。非接觸式方法不僅克服了這些缺點(diǎn)，而且保證了同樣的高精度。Lionetto等[53-54]（2007年）使用2MHz非對(duì)焦空氣耦合超聲探頭對(duì)復(fù)合材料薄板固化進(jìn)行試驗(yàn)，將兩個(gè)探頭在一側(cè)呈一定角度，接受板內(nèi)多次反射回波，成功表征固化度，并研究了超聲波在空氣中傳播的溫度補(bǔ)償方法。Aggelis等[55]（2012年）通過(guò)兩側(cè)0.5MHz超聲傳感器直接接觸PMMA（聚甲基丙酸甲酯）盤(pán)、PMMA盤(pán)夾著樹(shù)脂的方式對(duì)復(fù)合材料等溫固化進(jìn)行了研究，并考慮了傳感器換能的時(shí)間延遲，證實(shí)了持續(xù)超聲監(jiān)測(cè)可分辨固化過(guò)程中關(guān)鍵元素（如溫度和粘性）的變化關(guān)系、逐漸增大的剛度和阻尼的變化，同時(shí)還能提供固化度等信息。Liebers等[10]（2012年）發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷片集成到模具上作為發(fā)射器和接收器，可以避免非線性耦合誤差，超聲波在金屬中衰減很小，可以貼在模具外側(cè)監(jiān)測(cè)。Scheerer等[56-58]基于壓電片研制了可用于固化監(jiān)測(cè)和SHM技術(shù)的超聲傳感器，先作為壓力傳感器監(jiān)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)前沿，等其和復(fù)合材料共固化，組成SHM一部分，在試驗(yàn)中證實(shí)該傳感器可被用于被動(dòng)聲發(fā)射接收或主動(dòng)激勵(lì)超聲導(dǎo)波，如圖2[56]所示。

綜上所述，超聲監(jiān)測(cè)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、靈敏度和精度高的優(yōu)點(diǎn)，不僅可監(jiān)測(cè)凝膠化和玻璃化，而且可檢測(cè)最終成品的機(jī)械性能是否滿足要求。在用于SHM技術(shù)時(shí)，能對(duì)損傷精確定位和定量，但傳感器尺寸易影響成品性能。同時(shí)，傳感器長(zhǎng)期在高溫下工作時(shí)穩(wěn)定性較低，監(jiān)測(cè)時(shí)需要找到合適的幾何信息，還需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)償。

3 電學(xué)方法

電學(xué)方法用于復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測(cè)主要有阻抗法（ER）、介電法（DI）和時(shí)域反射計(jì)（Time Domain Reflectometer, TDR）等方法。

3.1 阻抗法

阻抗法中的傳感器多以點(diǎn)線傳感器為主，然而由于探頭大小的限制，只能使用幾百M(fèi)Ω的阻抗。導(dǎo)致在測(cè)量時(shí)電壓變化很小，電噪聲會(huì)導(dǎo)致測(cè)量較大誤差。Walsh[59]（1993年）提出了基于點(diǎn)傳感器的SMARTWEAVE裝置，并將該裝置與模具集成應(yīng)用在RTM樹(shù)脂流動(dòng)前沿與固化度監(jiān)測(cè)。然而SMARTWEAVE技術(shù)依賴(lài)于點(diǎn)測(cè)量，空間分辨率依賴(lài)于傳感器個(gè)數(shù)，分辨率不高、信號(hào)不連續(xù)。Barooah等[60]（1998年）使用平行線組成的直線電阻傳感器監(jiān)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)前沿，但直線電阻傳感器會(huì)擾亂樹(shù)脂流動(dòng)，安裝移除也較費(fèi)時(shí)。Danisman等[61]（2007年）使用中空螺栓和銅電極制成10MΩ點(diǎn)電壓傳感器并集成在矩形平板模具中用于監(jiān)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)前沿，能捕捉到快速注入時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程。但是傳感器對(duì)電噪聲敏感，樹(shù)脂導(dǎo)電率低導(dǎo)致電壓難以測(cè)量，傳感器體積大。此外，Luo等[62]（2014年）提出新的方法，將玻璃纖維和碳纖維本身作為傳感器，在其表面上涂上納米石墨片薄膜，制成壓縮電阻應(yīng)變傳感器，嵌入預(yù)浸漬材料中，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻的變化來(lái)得到固化過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)變，并且在固化后可以作為SHM結(jié)構(gòu)，能感知到1%的應(yīng)變變化。

3.2 介電法

介電傳感器的基本原理是周?chē)h(huán)境介電性質(zhì)的變化引起電信號(hào)變化。Hegg[29]（2005年）使用了非侵入平行盤(pán)介電傳感器陣列來(lái)監(jiān)測(cè)RTM和VARTM工藝中復(fù)合材料固化的過(guò)程，得到樹(shù)脂流動(dòng)前沿及樹(shù)脂的固化度，缺點(diǎn)是分辨率不夠高，且不能得到局部樹(shù)脂是否飽和的信息。Yenilmez等[63]（2009年）使用5橫10縱，一共50個(gè)介電傳感器組成的網(wǎng)格傳感系統(tǒng)與RTM工藝模具上下壁結(jié)合（圖3），能精確得到樹(shù)脂在模具空腔中的精確位置，最大誤差僅有1.3%，但系統(tǒng)可靠性較差。Garcia-Banos等[13]（2011年）使用基于梳狀電極微波共振器的系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料制造過(guò)程中的固化特性，可得到固化度、凝膠點(diǎn)、玻璃點(diǎn)等參數(shù)，具有很高的可靠性和魯棒性。Carlone等[64]（2015年）應(yīng)用了平行盤(pán)介電傳感器監(jiān)測(cè)基于預(yù)浸料和干纖維的LCM工藝樹(shù)脂流動(dòng)前沿位置及固化度的變化，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果一致。Yang等[65]（2016年）使用柔性印刷電路技術(shù)制造了體積更小的柔性介電傳感器，其對(duì)成品性能損傷非常小，能被嵌入增強(qiáng)纖維中用于VARI工藝。

3.3 電時(shí)域反射

圖2 超聲傳感器在RTM工藝和SHM中的應(yīng)用Fig. 2 Application of ultrasonic sensors in RTM process and SHM

圖3 介電傳感器集成在RTM模具上Fig.3 Dielectric sensors integrated with the mold

電時(shí)域反射（TDR）監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化的原理是利用固化過(guò)程中阻抗的不連續(xù)造成TDR反射信號(hào)的變化。Dominauskas等[66]（2003年）使用了TDR來(lái)監(jiān)測(cè)LCM中樹(shù)脂流動(dòng)前沿，將雙線TDR傳感器埋入纖維中，試驗(yàn)結(jié)果表明TDR可同時(shí)監(jiān)測(cè)VARTM中的多個(gè)樹(shù)脂流動(dòng)前沿。但由于樹(shù)脂的分散性，TDR信號(hào)會(huì)發(fā)生損失及多次反射，導(dǎo)致了精確度和靈敏度具有一定局限性。Dominauskas等[67]（2007年）提出了基于傳輸線的分布式TDR傳感系統(tǒng)，采用改進(jìn)的基于反射歷程算法的非一致傳輸線模型來(lái)計(jì)算前沿分布，與前面結(jié)果相比，誤差低于1%。Pandey等[68]（2013年）使用高頻時(shí)域反射計(jì)不僅監(jiān)測(cè)到VARTM中的樹(shù)脂流動(dòng)前沿，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料阻抗的變化來(lái)表征固化過(guò)程，結(jié)果與DSC幾乎一致。Buchmann等[69]（2016年）研制了差分式電時(shí)域反射計(jì)與帶金屬編織屏蔽的柔性扁平電纜傳感器相結(jié)合的系統(tǒng)，克服了電時(shí)域反射計(jì)用在可導(dǎo)電增強(qiáng)纖維復(fù)合材料固化時(shí)信號(hào)雜亂的問(wèn)題，而且差分算法對(duì)返回信號(hào)中阻抗不連續(xù)點(diǎn)計(jì)算精確度達(dá)0.3%，結(jié)果表明此系統(tǒng)可測(cè)得樹(shù)脂流動(dòng)前沿和固化度。但因有金屬編制屏蔽罩，熱膨脹系數(shù)較大，會(huì)對(duì)結(jié)果精度及成品性能造成一定影響。

綜上所述，電學(xué)方法是各種監(jiān)測(cè)方法中最簡(jiǎn)易直接的辦法，上述3種方法的對(duì)比見(jiàn)表3。但是電學(xué)方法與其他方法相比較，有著致命缺點(diǎn)，如易受電磁場(chǎng)影響，現(xiàn)在幾乎不能用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中。雖然文獻(xiàn)[69]研制出了帶電磁屏蔽的傳感器，但在碳纖維試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的精度還有待提高。

4 熱學(xué)方法

復(fù)合材料固化過(guò)程中溫度監(jiān)測(cè)多采用熱電偶（TC）。某些光纖和超聲方法需要將熱電偶放入模具甚至是嵌入復(fù)合材料固件中，進(jìn)行內(nèi)部溫度測(cè)量[23,37,43,53-54]。此外，可根

據(jù)樹(shù)脂溫度差和交聯(lián)反應(yīng)的放熱特性，使用熱電偶監(jiān)測(cè)一些固化特性。Konstantopoulos等[26]將熱電偶與干纖維壓在一起，放入模具中，測(cè)得了固化度和樹(shù)脂流動(dòng)。Tuncol等[70]（2007年）將熱電偶集成在模具上，監(jiān)測(cè)到RTM工藝中樹(shù)脂流動(dòng)前沿。但是這些結(jié)果精度都不高，誤差最高達(dá)16%，并且需要布置大量傳感器，只能在確定的工藝條件下工作，不適合應(yīng)用于金屬模具。

表3 電學(xué)方法對(duì)比

除了熱電偶外，Konstantopoulos等[26]和Pineda等[71]使用了紅外熱成像法（IR）得到LCM工藝中固化度及樹(shù)脂流動(dòng)前沿。但該方法具有一定局限，如紅外成像只能用于開(kāi)模或透明模具的工藝中，且易受環(huán)境因素干擾，得到結(jié)果也僅是表面信息。綜上可知，熱學(xué)方法多為輔助，需要和其他方法配合使用才能更加精確有效。

上述監(jiān)測(cè)技術(shù)都能單獨(dú)用于復(fù)合材料固化特性的監(jiān)測(cè)。綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)量、適用場(chǎng)合、傳感器特征、系統(tǒng)特征及特殊功能等，對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，光纖方法可監(jiān)測(cè)的物理量廣、技術(shù)手段多、可多路復(fù)用、對(duì)成品質(zhì)量影響小，又可實(shí)現(xiàn)固化后整體SHM技術(shù)，因此具有明顯優(yōu)勢(shì)。

固化過(guò)程監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

1 發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料固化成型監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，因此各行業(yè)愈加重視各種SHM技術(shù)在復(fù)合材料液體成型制造上應(yīng)用。綜合目前研究，復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）多種傳感技術(shù)的集成融合應(yīng)用。傳感器向小型化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和分布式發(fā)展，監(jiān)測(cè)范圍從點(diǎn)到面。將各種光、電、熱傳感器通過(guò)表面粘接或嵌入方法集成一體，對(duì)固化過(guò)程中的不同物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表面粘接是將傳感器布置在模具表面，嵌入式方法是將傳感器與預(yù)浸料結(jié)合，永久布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部?？湛虯380鉸鏈臂的RTM工藝生產(chǎn)過(guò)程中采用FBG傳感器、介電傳感器和熱電偶集成在同一傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測(cè)從生產(chǎn)到裝配過(guò)程中的殘余應(yīng)力[72]。

（2）固化過(guò)程注重監(jiān)測(cè)與主動(dòng)控制相結(jié)合。隨著材料科學(xué)、制造工藝、微納電子以及信息科學(xué)等技術(shù)迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多能集傳感、驅(qū)動(dòng)、通信和計(jì)算為一體的多功能傳感系統(tǒng)[73-74]，這為復(fù)合材料液體成型過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)控制優(yōu)化有機(jī)結(jié)合提供了契機(jī)，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料智能制造。

（3）固化監(jiān)測(cè)向全壽命周期監(jiān)測(cè)發(fā)展。復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測(cè)是利用復(fù)合材料制造過(guò)程中集成在內(nèi)部的傳感器，不僅監(jiān)測(cè)固化特性，保障成品質(zhì)量，并且能結(jié)合傳感網(wǎng)絡(luò)獲得的所有信息，準(zhǔn)確地評(píng)估其全壽命周期中的內(nèi)部狀態(tài)[75-77]。本研究探討可用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命周期健康監(jiān)控的多功能傳感“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，給出了用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命健康監(jiān)控的“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架與功能（圖4）。

2 面臨挑戰(zhàn)

復(fù)合材料固化成型過(guò)程涉及許多復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，再加上復(fù)合材料的各向異性和制造工藝的復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料液體成型制造過(guò)程中的全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，未來(lái)要解決的問(wèn)題集中在3個(gè)方面：

（1）如何解決嵌入或接觸傳感器對(duì)復(fù)合材料成品影響?，F(xiàn)在的嵌入或直接接觸方法中，只有光纖傳感器對(duì)復(fù)合材料成品性能的影響很小，其他傳感器在工業(yè)實(shí)際中應(yīng)用很少。如何在盡可能監(jiān)測(cè)多物理量條件下降低對(duì)成品性能的影響，這將是未來(lái)主要解決的問(wèn)題。

（2）如何解決SHM技術(shù)內(nèi)外相連接問(wèn)題。多數(shù)技術(shù)的具體應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，原因是在工業(yè)中應(yīng)用遇到需要特殊模具、大量的連接線以及嵌入式傳感器閉模和開(kāi)模過(guò)程對(duì)傳輸線的影響、傳感器定位與后續(xù)加工沖突等問(wèn)題。

（3）如何構(gòu)建監(jiān)測(cè)參數(shù)的三維特征和保證SHM技術(shù)的精度。大多數(shù)試驗(yàn)還停留在二維面的監(jiān)測(cè)。只能得到傳感器埋在位置附近或軸向的二維數(shù)據(jù)分布，沒(méi)有考慮剪應(yīng)變、縱向的樹(shù)脂流動(dòng)等分布問(wèn)題。在固化后殘余應(yīng)力等會(huì)影響傳感器的精度和靈敏度，需要克服這些內(nèi)部影響，保證后續(xù)SHM技術(shù)的可靠使用。

結(jié)束語(yǔ)

隨著傳感器技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)、固化動(dòng)力學(xué)及相關(guān)信號(hào)處理分析、測(cè)試軟硬件技術(shù)等快速發(fā)展，復(fù)合材料固化監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)的研究出現(xiàn)了新契機(jī)。

光纖方法、超聲方法、電學(xué)方法和熱學(xué)方法都證明了其在監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過(guò)程的有效性，但也存在局限性?？傮w而言，光纖和超聲方法具有重要發(fā)展?jié)摿?，適合于全壽命周期監(jiān)測(cè)，但是目前大多還都停留在實(shí)驗(yàn)室階段。隨著研究的深入，這些新技術(shù)將為大型化、智能化、集成化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖4 傳感器網(wǎng)絡(luò)用于復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測(cè)Fig.4 Sensor networks for composites life cycle monitoring

表4 各種技術(shù)方法對(duì)比

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