張條蘭 王花麗

摘 要：用光柵傳感器對(duì)車用單向碳纖維、雙軸向碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了“健康監(jiān)測(cè)”，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了拉伸波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化、拉伸波長(zhǎng)隨所加載荷的變化。結(jié)果表明拉伸波長(zhǎng)與所加載荷呈線性關(guān)系，通過(guò)波長(zhǎng)與載荷的線性關(guān)系可預(yù)估復(fù)合材料的抗拉特性?？椢锝Y(jié)構(gòu)中雙軸向碳纖維復(fù)合材料的監(jiān)測(cè)效果較好。

關(guān)鍵詞：布拉格光柵;復(fù)合材料;拉伸;健康監(jiān)測(cè)

復(fù)合材料具有高剛度、剛強(qiáng)度的特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。在其使用的過(guò)程中，為了保證其安全性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到材料的受損程度及健康狀況，傳感器成為其重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。目前所使用的傳感器主要有：直流電（DC）傳感器、介電傳感器、壓電傳感器（PT）、超聲波傳感器（US）、壓力分布式格柵傳感器（PSDG）、光纖傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器、光纖光柵傳感器）、熱敏傳感器等。每種傳感器均各自具有不同的適應(yīng)場(chǎng)合以及不同的優(yōu)缺點(diǎn)[1]：（1）直流電傳感器已被廣泛應(yīng)用;但是得到的信息受限制，只能得到節(jié)點(diǎn)出的信息。（2）線性直流電傳感器可以檢測(cè)整個(gè)導(dǎo)線長(zhǎng)度方向的信息，但方向上受限制，難以準(zhǔn)確確定垂直的帶傾斜角的導(dǎo)線上的信息。（3）介電傳感器：大多為離散式模具，體積較大，成本較高，難以探測(cè)厚度方向的信息。（4）壓電傳感器：這類傳感器在升溫中不可靠，材料硬度的適應(yīng)性及其與復(fù)合材料間的粘接較差。（5）超聲波傳感器：可穿越材料對(duì)其進(jìn)行厚度上的監(jiān)測(cè)，但聲發(fā)射易受環(huán)境的干擾。（6）熱敏傳感器：是一種具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻。熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化，半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越低，銅熱電阻和鉑熱電阻是正溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越高。其體積小，熱慣性小，靈敏度高，成本低，耐用，在復(fù)合材料工藝中已成功地應(yīng)用于固化度、流動(dòng)前沿及滲透率的測(cè)量，這類傳感器簡(jiǎn)單，且易進(jìn)行樹(shù)脂流動(dòng)的監(jiān)控。因此，本文提出了FBG（布拉格光柵）光纖傳感監(jiān)控技術(shù)，F(xiàn)BG傳感器體積小、纖細(xì)輕柔、便于布設(shè)、與待測(cè)材料的相容性好，靈敏度高、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，可以對(duì)材料的性能做以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，并可提高材料健康監(jiān)測(cè)的有效性及實(shí)時(shí)性。車用復(fù)合材料形成過(guò)程中，殘余應(yīng)力的存在會(huì)大幅度降低材料性能，導(dǎo)致復(fù)合材料基體裂開(kāi)、疲勞性能低以及脫層等現(xiàn)象，因此，用傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)樹(shù)脂固化過(guò)程及產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解其變化歷程，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整工藝條件優(yōu)化工藝參數(shù)具有很大的實(shí)際意義。

1 光纖布拉格光柵傳感器的原理

布拉格光柵（FBG）是光纖波導(dǎo)介質(zhì)纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。它是一種波長(zhǎng)選擇反射器，所反射的波長(zhǎng)稱為布拉格中心波長(zhǎng)[2]。以布拉格中心波長(zhǎng)作為光纖光柵的特征值，光柵制作成型后，中心波長(zhǎng)隨之確定。

光纖光柵周圍的溫度場(chǎng)和作用在光纖光柵上的應(yīng)變是兩個(gè)能夠直接導(dǎo)致布拉格中心波長(zhǎng)漂移的物理量。當(dāng)傳感器只遭受應(yīng)變時(shí)，特征波長(zhǎng)的偏移與光柵所承受的應(yīng)變函數(shù)關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，通過(guò)波長(zhǎng)的偏移量即可方便準(zhǔn)確地得到光柵所處位置的應(yīng)變值，并且所測(cè)得的波長(zhǎng)與應(yīng)變值呈線性關(guān)系。

將光纖布拉格光柵（FBG）埋入復(fù)合材料中，用一寬帶光源對(duì)其發(fā)出光信號(hào)。當(dāng)材料中產(chǎn)生應(yīng)變或正溫度變化時(shí)，光柵反射的波長(zhǎng)將發(fā)生改變。將接受到的信號(hào)通過(guò)解調(diào)裝置處理后輸出，即得到波長(zhǎng)的變化，從而得到溫度、應(yīng)變等物理量的變化。光纖傳感器埋入復(fù)合材料中，用于監(jiān)測(cè)材料的溫度和應(yīng)變等物理量變化，從而監(jiān)測(cè)材料的成型過(guò)程和其成型后的健康情況。

2 復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能的監(jiān)測(cè)

拉伸監(jiān)測(cè)：（將包埋有光柵的復(fù)合材料成型體進(jìn)行拉伸）當(dāng)復(fù)合材料的應(yīng)變或應(yīng)力超過(guò)其最大應(yīng)變和應(yīng)力時(shí)，材料即會(huì)失效。在單向拉伸時(shí)，主要載荷由軸向纖維束來(lái)承擔(dān)，這時(shí)的橫向纖維束幾乎不受力，因而軸向纖維束的失效會(huì)引起較大的載荷降，導(dǎo)致材料的最終失效。雖然在材料失效前，基體會(huì)有少許開(kāi)裂，但基體對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度沒(méi)有太大的影響。當(dāng)光纖光柵傳感器沿纖維軸向編入時(shí)，可把光線視為性能弱化的軸向紗，而且根據(jù)光纖的特點(diǎn)不會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生太大的影響，這樣就可以由光柵的失效及光柵所測(cè)應(yīng)變的大小來(lái)判斷材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部失效及應(yīng)變大小。光柵對(duì)材料的相容性較好，能對(duì)材料的內(nèi)部健康狀況和使用狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)車用復(fù)合材料的使用狀況提供了重要的依據(jù)[3]。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

玻璃板、真空袋、密封膠帶、真空泵、三通、塑膠管、螺旋管、單軸向炭纖維織物、雙軸向炭纖維織物、切割機(jī)、WDW-100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、光纖傳感系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

清潔模具—貼脫模紙—貼密封膠帶—鋪放織物及光纖—密封—抽真空—充樹(shù)脂—固化—脫?！懈睢?/p>

采用WDW-100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，依據(jù)GB/T 1447-2005中的Ⅱ型試樣形式進(jìn)行加工為矩形;樣品尺寸250 mm×25 mm，拉伸速率為5 mm/min。

其中，第三步先貼好密封膠帶的目的是，在下一步布設(shè)光纖時(shí)能使光纖粘在膠帶上，初步固定其在材料中的位置。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 拉伸過(guò)程波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化

單向碳纖、雙軸向碳纖復(fù)合材料在拉伸的過(guò)程中波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化方向是一致的。當(dāng)未加載荷時(shí)，光柵不受外力的作用即監(jiān)測(cè)到的波長(zhǎng)保持不變。當(dāng)開(kāi)始加載時(shí)，光柵的波長(zhǎng)相應(yīng)增大，而且呈較好的線性關(guān)系;當(dāng)所加載荷達(dá)到一定程度時(shí)，達(dá)到復(fù)合材料所承受的載荷極限值，當(dāng)所加載荷達(dá)到極限值時(shí)，監(jiān)測(cè)到光柵的波長(zhǎng)急劇下降，即材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，光柵也隨之受到破壞，光柵失效。此階段可通過(guò)波長(zhǎng)的變化來(lái)判斷材料何時(shí)失效及所能承受的最大載荷。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，雙軸向碳纖維復(fù)合材料在拉伸的過(guò)程中，波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的線性關(guān)系最明顯，這與復(fù)合材料織物的組成與結(jié)構(gòu)有關(guān)，即可以更有效精確地判斷試件何時(shí)失效及所承受的載荷極限。

2.3.2 拉伸過(guò)程波長(zhǎng)隨載荷的變化

單軸向炭纖維與雙軸向炭纖維復(fù)合材料成型體FBG傳感器監(jiān)測(cè)到外加載荷與波長(zhǎng)皆呈較好的線性關(guān)系，且隨著載荷的增加波長(zhǎng)相應(yīng)的增加，雙軸向碳纖維復(fù)合材料的線性最好。這可能與纖維織物的結(jié)構(gòu)有關(guān)，雙軸向炭纖無(wú)紗線捆綁，兩個(gè)方向上都有同樣的增強(qiáng)纖維束，使其復(fù)合材料呈現(xiàn)良好的抗拉性能。即通過(guò)埋設(shè)于復(fù)合材料內(nèi)部的光纖布拉格光柵傳感器對(duì)復(fù)合材料內(nèi)力學(xué)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)載荷與波長(zhǎng)的線性變化可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)光纖的拉伸時(shí)間與失效位置來(lái)預(yù)估試件的抗拉特性以及判斷所測(cè)試件何時(shí)何處失效。因此，埋入的與復(fù)合材料相容性較好的FBG傳感器可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)變化，通過(guò)波長(zhǎng)與載荷的線性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部所受載荷大小的估算。

3 結(jié)論

從總體上來(lái)講，F(xiàn)BG能有效并且實(shí)時(shí)不同織物復(fù)合材料的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的過(guò)程中有較高的靈敏度和分辨率，可較精確地進(jìn)行材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀況的監(jiān)測(cè)及材料抗拉性能的估測(cè)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出雙軸向碳纖維復(fù)合材料抗拉性能較好，拉伸過(guò)程載荷與波長(zhǎng)呈明顯的線性關(guān)系，根據(jù)此良好的線性關(guān)系可對(duì)復(fù)合材料的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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