CN101570065A - 一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法，为解决目前工程常用的聚酰亚胺树脂或环氧树脂将光纤光栅传感器粘结在结构表面，在服役中光纤易被破坏及将光纤直接埋入复合材料结构中，虽得到封装保护但会引起其周围应力/应变的集中，材料固化过程中产生热残余应力会引起光纤光栅反射光谱的啁啾现象，影响光栅的应变测量精度等技术问题，而提供了一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法，将光纤光栅传感器埋入复合材料铺层中来替代结构健康监测领域常用的电阻应变片，通过对埋入光纤光栅施加预应力，降低复合材料固化残余应力对光纤光栅反射光谱的影响，避免啁啾现象；提高了传感器的稳定性和重复性。同时复合材料起到了对裸光纤光栅很好的封装保护作用，满足工程施工对传感器灵敏度要求。

Description

一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法
技术领域：
本发明属于一种智能复合材料制备方法，具体地说是一种埋入光纤光栅传感器的用于结构纵向应变检测的智能复合材料层板制备方法。
背景技术：
近年来，光纤光栅传感器在工程结构纵向应变监测领域应用广泛。与传统电阻应变片相比，光纤光栅具有波分复用功能，应用一根光纤就可以实现结构多点同时检测，除此外，光纤不受电磁干扰，不需要与结构材料的绝缘保护，抗高温、抗化学腐蚀，可作为探测隐蔽环境和不可接触区域纵向应变监测的理想方法。
工程上通常用聚酰亚胺树脂或环氧树脂将光纤光栅传感器粘结在结构表面，但服役过程中光纤特别容易破坏。所以有时直接将光纤直接埋入复合材料结构中用于应变和温度监测，同时复合材料也会起到对光纤很好的封装保护作用，但光纤光栅埋入会引起其周围应力/应变的集中，同时复合材料固化过程中产生的热残余应力也会引起光纤光栅反射光谱的啁啾现象，影响光栅的应变测量精度。研究表明光纤光栅埋入0度复合材料层间时，对光栅反射光谱影响较小，但在复合材料设计上不一定能够实现，同时埋入复合材料的裸光纤十分脆弱，这在大规模工程施工上，工艺无法保证。
发明内容
本发明是为了解决目前存在的工程上常用的聚酰亚胺树脂或环氧树脂将光纤光栅传感器粘结在结构表面，在服役过程中光纤特别容易破坏及将光纤直接埋入复合材料结构中，虽然得到很好的封装保护，但会引起其周围应力/应变的集中，同时复合材料固化过程中产生的热残余应力也会引起光纤光栅反射光谱的啁啾现象，影响光栅的应变测量精度。光纤光栅埋入0度复合材料层间时，光纤光栅测量精度较高，但这在复合材料设计上和大规模工程施工上，工艺无法保证。针对这些技术问题，本发明提供了一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法，将光纤光栅传感器埋入复合材料铺层中来替代结构健康监测领域常用的电阻应变片。该智能复合材料传感层板制作方法是通过如下步骤实现的：
(1)选择厚0.2mm的CFRP或厚0.15mm的GFRP复合材料预浸料，CFRP按经/纬向50/50的质量比铺层；GFRP按经/纬向80/20的质量比铺层结构铺层；
(2)复合材料预浸料按100mm×20mm裁减，用手工铺层；
(3)在要埋入光纤光栅的两端施加预应力，沿100mm方向放入复合材料层板中，端口部分用石英保护套嵌入复合材料；
(4)将复合材料铺层用真空袋密封，光纤光栅通过硅橡胶密封胶条穿出真空袋；
(5)铺层后的复合材料放入热压釜内，升温到125℃，内部真空度达到0.085Mpa，外压0.1Mpa，在该条件下保持2小时，降到室温；升温和降温速度均为1℃/分；
(6)最终CFRP的厚度为0.4mm，GFRP厚度为0.35mm。
本发明的特点及有益效果：通过对埋入光纤光栅施加预应力，降低了复合材料固化残余应力对光纤光栅反射光谱的影响，避免了啁啾现象的产生，提高了传感器的稳定性和重复性。同时复合材料也起到了对裸光纤光栅很好的封装保护作用，满足了工程施工对传感器灵敏度要求。
埋入光纤光栅的智能复合材料层板用于工程结构纵向应变监测，通过控制光纤光栅的埋入工艺与复合材料层板的成型工艺，使光纤光栅反射光谱保持其稳定的单峰形状，提高其应变监测精度。通过使用该智能复合材料层板进行结构纵向应变监测时，就不必考虑光纤光栅的埋入工艺及封装问题，满足光纤光栅在结构纵向应变监测的工程化应用。
附图说明
图1为本发明的工作原理简图。
在图1中出现的符号标记说明：
1代表光纤光栅传感器；符号2代表光纤；符号3代表复合材料铺层；符号4代表真空袋；符合5代表石英护套；符号6代表光纤预应力施加装置。
具体实施方式
参看图1，一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法，其步骤如下：
(1)选择厚0.2mm的CFRP或厚0.15mm的GFRP复合材料预浸料，CFRP按经/纬向50/50(质量比)的铺层；GFRP按经/纬向80/20(质量比)的铺层结构铺层；
(2)复合材料预浸料按100mm×20mm裁减，用手工铺层；
(3)在要埋入光纤光栅的两端施加预应力，沿100mm方向放入复合材料层板中，端口部分用石英保护套嵌入复合材料；
(4)将复合材料铺层用真空袋密封，光纤光栅通过硅橡胶密封胶条穿出真空袋；
(5)复合材料铺层结构放入热压釜内，升温到125℃，内部真空度达到0.085Mpa，外压0.1Mpa，在该条件下保持2小时，降到室温；升温和降温速度均为1℃/分；
(6)最终CFRP的厚度为0.4mm，GFRP厚度为0.35mm。
工作原理
当光栅周围的温度、应变及其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长发生漂移，通过检测光栅中心波长的变化就可以获得待测物理量的变化情况。当只有应变作用时，中心波长的漂移主要由应变决定。
应变引起光栅布拉格波长的相对漂移为
Δλ B λ B = ( 1 - p e ) · ϵ x = k ϵ ϵ x
p e = 1 2 n eff 2 [ p 12 - v ( p 11 + p 12 ) ] , 为光纤的有效光弹系数，v为光纤纤芯材料的泊松比；ΔλB为反射中心波长的变化量。对于普遍使用的FBG光纤传感器，光纤为二氧化硅介质，有效光弹系数为Pe≈0.22[10]，则kε≈7.8×10-7(με-1)，为布拉格光栅应变传感理论灵敏系数。
在实施中应注意：
1、该发明中光纤光栅传感器的埋入工艺对应变测量精度很重要，如果不施加初始应力，会导致光纤与基体材料结合不良，会引起光栅反射光谱的啁啾化，产生多峰现象。树脂固化过程中保持光纤的预应力，会降低横向热残余应力的影响，同时可降低复合材料经/纬向邻近层微弯作用的影响。
2、光纤光栅预应力的施加(预应力的施加大小要保证光纤光栅的中心波长发生漂移)使用光纤光栅传感器施加预应力的封装装置，见专利200810150477.2。
3、光纤光栅传感器的光栅长度可选用5mm、10mm、15mm，光栅部分为裸光栅结构，光栅的波长范围为1510-1590nm。
4、应变测量时，动态应变测量可使用MOI公司的SI425动态光栅解调仪，静态应变的测量可使用SI125-500静态应变解调仪，要研究光栅反射光谱的详细信息可使用SI725光栅解调仪。
5、复合材料的成型工艺除采用步骤(5)外，也可以采用模压成型工艺。
6、预浸料的树脂可以选用环氧或双马树脂体系。

Claims (3)

1、一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法，其特征在于：该层板的制作方法是通过下述步骤实现的：
(1)选择厚0.2mm的CFRP或厚0.15mm的GFRP复合材料预浸料，CFRP按经/纬向50/50的质量比铺层；GFRP按经/纬向80/20的质量比铺层；
(2)复合材料预浸料按100mm×20mm裁减，用手工铺层；
(3)在要埋入光纤光栅的两端施加预应力，沿100mm方向放入复合材料层板中，端口部分用石英保护套嵌入复合材料；
(4)将复合材料铺层用真空袋密封，光纤光栅通过硅橡胶密封胶条穿出真空袋；
(5)铺层后的复合材料放入热压釜内，升温到125℃，内部真空度达到0.085Mpa，外压0.1Mpa，在该条件下保持2小时，降到室温；升温和降温速度均为1℃/分；
(6)最终CFRP的厚度为0.4mm，GFRP厚度为0.35mm。
2、根据权利要求1所述的智能复合材料层板制作方法，其特征在于：所述预浸料选用环氧或双马树脂体系。
3、根据权利要求1所述的智能复合材料层板制作方法，其特征在于：所述步骤(5)铺层后的复合材料的成型采用模压成型。
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