CN102200481A - 用于光纤布喇格光栅高压传感器的碳纤维层积复合材料 - Google Patents

Abstract

制造了一种新型的碳纤维层积复合材料。其结构是由碳纤维薄片和环氧树脂胶按照一定的比例来构成。它是一种结构简单，各向异性的复合材料。由于Z方向的弹性模量远小于X，Y方向的弹性模量，可以把光纤布喇格光栅粘贴在碳纤维层积复合材料的Z方向的表面上，以获得高的灵敏度。碳纤维层积复合材料具有很多突出的特点，其中包括质量轻，耐腐蚀，耐冲击，弹性好，很强的抗疲劳性能。

Description

用于光纤布喇格光栅高压传感器的碳纤维层积复合材料

技术领域：

本发明专利涉及传感器领域，发明制作一种新型的碳纤维层积复合材料，这种材料可以用来制造高灵敏度的光纤布喇格光栅高压传感器。

背景技术：

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating简称FBG)是一种新兴的传感元件，用光纤光栅制作的压力传感器具有体积小，重量轻，不受电磁干扰等优点。然而，裸FBG的压力灵敏度低，在70Mpa的压力下，裸FBG的波长仅变化0.22nm。随着科技的发展，人们对压力传感器提出了精度高，量程大，响应快等要求。有一些研究者提出了波纹管，弹性薄膜，高分子聚合物等作为压力形变体。这些压力形变体虽然具有较高的灵敏度，但是其测量量程不大，因此限制了高压测量的应用。

发明内容：

为了解决现有的光纤布喇格光栅高压传感器在大范围内很难获得高灵敏度的技术问题，本发明专利提出一种弹性形变范围大、线性好、重复性高、易于生产的碳纤维层积复合材料。将光纤光栅粘贴在这种易于生产的碳纤维层积复合材料上，可以制作出量程大，线性好、重复性高的高灵敏度压力传感器。

为了解决这一问题，本发明的技术方案是生产一种碳纤维层积复合材料，其包括(1)碳纤维薄片(Carbon Fiber Laminate简写为CFL)(2)环氧树脂胶。所述碳纤维薄片(1)被处理成为形状规则的，大小适中的方形，均匀地竖放在模子中，把环氧树脂胶倒在模子里，适当控制碳纤维薄片和环氧树脂胶的体积比例，一般是1∶1，或者可以稍有偏离。所述环氧树脂胶(2)的作用是把方形的碳纤维薄片紧密地粘贴在一起。待到环氧树脂胶固化以后，碳纤维层积复合材料(Carbon Fiber Laminate Composite简写为CFLC)生产完毕。

下面对本发明中的碳纤维层积复合材料的力学特性做简单介绍。

碳纤维薄片的弹性模量由以下公式给出，

$G_{\mathrm{CFL}-z}=E_{\mathrm{CFL}-x}=\frac{E_f\·E_m}{V_{\mathrm{CFL}-f}\·E_m+V_{\mathrm{CFL}-m}\·E_f}---\left(1\right)$

E_CFL-y＝V_CFL-fE_f+V_CFL-mE_m    (2)

E_CFL-z，E_CFL-x和E_CFL-y是碳纤维薄片在z，x和y方向的弹性模量.E_f和E_m是碳纤维和环氧树脂胶的弹性模量。V_CFL-f和V_CFL-m是碳纤维和环氧树脂胶的体积比例.

碳纤维层积复合材料的弹性模量由以下公式给出

$E_{\mathrm{CFLC}-z}=\frac{E_{\mathrm{CFL}-z}\·E_m}{V_{\mathrm{CFLC}-\mathrm{CFL}}\·E_m+V_{\mathrm{CFLC}-m}\·E_{\mathrm{CFL}-z}}---\left(3\right)$

E_CFLC-x＝V_CFLC-CFLE_CFL-x+V_CFLC-mE_m    (4)

E_CFLC-y＝V_CFLC-CFLE_CFL-y+V_CFLC-mE_m    (5)

E_CFLC-z，E_CFLC-x和E_CFLC-y是碳纤维层积复合材料在z，x和y方向的弹性模量.V_CFLC-CFL和V_CFLC-m是碳纤维和环氧树脂胶在碳纤维层积复合材料中的体积比例。在外界压强的作用下，在z方向的应变表达式为

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{CFLC}-z}=P\·(\frac{1}{E_{\mathrm{CFLC}-z}}-\frac{v_{\mathrm{CFLC}-\mathrm{xz}}}{E_{\mathrm{CFLC}-x}}-\frac{v_{\mathrm{CFLC}-\mathrm{yz}}}{E_{\mathrm{CFLC}-y}})---\left(6\right)$

v_CFLC-xz是x方向的应力在z方向产生的应变，v_CFLC-yz是y方向的应力在z方向产生的应变。

为了提高光纤布喇格光栅高压传感器的灵敏度，可以把布喇格光栅粘贴在碳纤维层积复合材料的z方向表面上，根据波长偏移与应变的关系，粘贴在碳纤维层积复合材料的表面上的布喇格光栅的波长偏移量表述为

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_P}{\mathrm{\λ}}=(1-p_e)\·[\frac{1}{E_{\mathrm{CFLC}-z}}-(\frac{v_{\mathrm{CFLC}-\mathrm{xz}}}{E_{\mathrm{CFLC}-x}}+\frac{v_{\mathrm{CFLC}-\mathrm{yz}}}{E_{\mathrm{CFLC}-y}})]\·P---\left(7\right)$

λ和Δλ_P分别是FBG的中心波长和中心波长的偏移量，P是压强，p_e是FBG的有效弹光系数。

具体实施方式：

采用碳纤维和环氧树脂胶比例为95∶5的碳纤维薄片，和环氧树脂胶按图1所示的结构制作碳纤维层积复合材料。其中碳纤维薄片和环氧树脂胶的比例为50∶50。一般的，碳纤维和环氧树脂胶的典型弹性模量值分别是E_f＝380Gpa，E_m＝3.5Gpa。假设材料的泊松比v_CFLC-xz＝0.3，v_CFLC-yz＝0.3，那么根据公式计算得出来的碳纤维层积复合材料三个方向的弹性模量分别为E_CFLC-x＝31.5Gpa，E_CFLC-y＝182.3Gpa，E_CFLC-z＝6.6Gpa。也就是说，碳纤维层积复合材料Z方向的弹性模量远小于X，Y方向的弹性模量。

用环氧树脂胶把光纤布喇格光栅粘贴在碳纤维层积复合材料的Z方向的表面上，如图3所示。然后用如图4所示的装置测试碳纤维层积复合材料的压力性能。压力变化时，光纤布喇格光栅的反射谱变化如图5所示，波长变化如图6所示。当压力增加70MPa，光纤布喇格光栅波长减小7nm，而且光纤布喇格光栅波长随压力的变化具有很好的重复性。由此可见，碳纤维层积复合材料可以用于制作量程大，线性好，精度高的压力传感器。

附图说明：

图1碳纤维层积复合材料结构示意图

图2碳纤维薄片结构示意图

图3基于碳纤维层积复合材料及光纤布喇格光栅的压力传感器结构示意图

图4压力测试装置

图5不同压力下光纤布喇格光栅反射谱

图6不同压力下光纤布喇格光栅波长变化。

Claims (3)

1.一种碳纤维层积复合材料，其包括(1)碳纤维薄片(2)环氧树脂胶

2.根据权利要求1所述，其特征在于：所述碳纤维薄片(1)被处理成为形状规则的，大小适中的方形，均匀地竖放在模子中，把环氧树脂胶倒在模子里，适当控制碳纤维薄片和环氧树脂胶的体积比例，一般是1∶1，或者可以稍有偏离。所述环氧树脂胶(2)的作用是把方形的碳纤维薄片紧密地粘贴在一起。

3.权利要求1所述的碳纤维薄片，其特征在于碳纤维在薄片中平行的排放，并用环氧树脂胶粘接在一起。

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