CN104315990A - 一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法，包括树脂基复合材料预浸料和中间布设的FBG传感器，在第n层沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器，在第n层或者第n+1层或者第n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器，模具侧壁框板上设有引线沟槽，表面覆有耐高温高分子薄膜，传感器的引线从引线沟槽中引出且与信号接收器接通，闭合模具，热压成型，实现固化成型在线实时监测。本发明解决FBG传感器在复合材料热模压固化变形监测时栅区脆弱易断以及在封闭的全刚性热模压模具中若引线不当则造成监测信号不能有效传输的问题，同时针对内植FBG传感器的复合材料结构件和全刚性模具的脱离困难问题。

Description

一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法

技术领域

本发明涉及一种先进树脂基复合材料热模压固化变形的光纤Bragg光栅测试装置以及内植纤细传感器的复合材料与模具的脱离方法，具体涉及一种预先埋植光纤Bragg光栅的纤维增强树脂基复合材料结构件在热模压制造工艺中固化变形的测试装置以及内植光纤Bragg光栅的复合材料和全刚性闭式模具的脱离方法。

背景技术

近年来，纤维增强树脂基复合材料以其良好的耐疲劳特性、高比强度和比模量、突出的多功能性和减振性能以及独特的可设计性等特点，在航空航天、汽车、舰船、建筑等领域得到广泛应用。特别地，复合材料密度低，尤其是碳纤维/树脂复合材料的密度仅约为1.6g/cm³，远远小于钢或铝合金材料的密度，对飞机和汽车的减重有显著效果。因此，复合材料在汽车或飞机中的使用比例逐步增加，例如，波音B787以及空客A350-XWB中复合材料的用量超过飞机结构重量的50％。

在先进复合材料广泛应用的同时，其结构设计、成型制造以及使役健康监测已经成为需要突破的关键技术。在树脂基复合材料的成型过程中，通常由于材料体系的热胀效应、树脂基体的化学收缩效应、复合材料与模具在热膨胀系数上的显著差异的协同作用，在复合材料内部会产生复杂的内应力，脱模后由于内应力的释放而导致复合材料结构件的尺寸和形状与预期之间有偏差，即发生了所谓的固化变形现象。并且复合材料结构件在使用过程中，受到各种各样的载荷，内部应力传递、裂纹的萌生及演化也成为人们关注的焦点。

早期人们就采用多种方法研究树脂基复合材料的固化过程，其中包括动态差示扫描量热法、介电法、动态弹簧法以及红外频谱法。但是这些方法不仅测量精度低、成本高，而且仅仅能对小型的样品进行测量，故在实际生产中不能得到广泛应用。与传统固化监测装置相比，光纤传感器体积小、灵敏度高、可以较为方便地埋入预浸料或干态纤维中，在实时动态监测复合材料固化过程中的温度、应变等参数方面具有特别明显的优势。此外，光纤对成型后复合材料的力学性能影响小。不同机理的光纤传感器有不同的固化过程监测原理，用于树脂基复合材料固化过程监测的主要有以下几种光纤传感器：光纤折射率传感器、红外吸收光谱光纤传感器、光纤微弯传感器、光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器、光纤Fabry-Perot传感器。采用FBG传感器进行固化过程监测可以实时地直接获取材料内部的温度状态、应变状态，经过数据处理还可以得到固化后复合材料的热膨胀系数等重要的材料热物理性质，有助于纤维复合材料及其固化工艺过程的优化设计。

FBG传感器具备了光纤传感器的一系列优点，比如体积小、质量轻、灵敏度高、耐高温、能长时间进行原位在线监测以及和纤维增强材料的兼容能力强等。当然，FBG传感器也存在一些缺点，比如，当FBG传感器长时间地暴露在水汽或者应力环境中的时候容易遭到破坏。另外，当缺乏温度补偿传感器时，从FBG传感器的反射波长图谱中难以将温度引起的影响和应变引起的影响分离开来。此外，栅区部位为测量敏感部件，脆弱易断，一旦光栅的栅区折断就会造成无监测信号。在把光纤光栅的栅区铺设进复合材料后，还须注意光纤从全刚性的封闭模具中的引出方式；由于光纤抗剪切性能差，所以尽量保证其不受剪切力；光纤引线不宜折弯，因为弯曲会造成光强损耗，导致信号不易探测。

为了保证FBG传感器能有效地对纤维增强树脂基复合材料在全刚性闭式模具中的热模压固化过程以及固化完成后复合材料结构件受载使役过程进行全寿命周期监测，使研究人员能对固化变形的微观机理和应力传递以及损伤破坏规律有更为清晰的认识，从而使先进树脂基复合材料结构件能更为安全可靠地应用于更多的领域，制备出一种装置能用来测试内植光纤Bragg光栅的复合材料在热模压制造工艺中固化变形的意义重大。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置及装置的制备和使用方法，解决FBG传感器在复合材料热模压固化变形监测时栅区脆弱易断以及在封闭的全刚性热模压模具中若引线不当则造成监测信号不能有效传输的问题，同时针对内植FBG传感器的复合材料结构件和全刚性模具的脱离困难问题。

本发明采取的技术方案为：

一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，包括铺设在模具中的树脂基复合材料预浸料和中间布设的FBG传感器，在同一预浸料铺层内铺设多个FBG传感器或者在多个预浸料铺层内分别铺设FBG传感器，在第n层(n>1)沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器，在第n层或者第n+1或者n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器，模具侧壁框板上设有引线沟槽，模具侧壁框板及引线沟槽表面覆有耐高温高分子薄膜，传感器的引线从模具侧壁框板的引线沟槽中引出与信号接收器接通。

同一预浸料铺层内铺设的多个FBG传感器相互不接触。

所述的温度补偿的参考传感器与对应的应变传感器设置方向相同。

所述测试装置的制备方法，包括步骤如下：

(1)在模具侧壁框板表面的合适位置加工出能使FBG传感器顺利引线的引线沟槽，然后在模具侧壁框板的每个长条边上分别包覆同质或异质的多层耐高温高分子薄膜，并将引线沟槽的各个表面也用高分子薄膜完全包覆；

(2)将预浸料按照复合材料结构件的形状尺寸以及力学性能的要求逐层裁剪，并在模具内按顺序铺设裁剪好的预浸料，在铺设预浸料过程中，将用来监测应变的FBG应变传感器按照监测需要埋入预定位置，加入参考传感器以对应变测量传感器进行温度补偿；

(3)铺设完后将传感器引线从预设的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，并将其与信号接收器接通。

上述制备方法中：步骤(1)引线沟槽的位置优选设置在长条模具框板的1/2、1/4长度距离处。

所述单层耐高温高分子薄膜厚度为0.1～0.3mm。所述的高分子薄膜可以是聚酯膜、玻璃纸等一种材质的高分子薄膜，也可以是多种材质的高分子薄膜的组合。

步骤(2)所述的单层预浸料厚度为0.1～0.4mm。所述的监测应变的FBG传感器的光纤上分布数个栅区；作为温度补偿的参考传感器上也相应地分布数个栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(例如，外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。预浸料的裁切形状尺寸以及纤维方向可以根据成型结构件形状尺寸及力学性能要求进行调整，比如裁切为30°方向或45°方向等。

步骤(2)中传感器的铺设方式为：在第n层(n>1)沿着纤维轴线方向铺设应变传感器，在第n层或者第n+1或者n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器，根据需要，可以在同一铺层内铺设多个FBG传感器，也可以在多个铺层内分别铺设多个FBG传感器。所述温度补偿的参考传感器与对应的应变传感器之间距离为5～10mm。FBG传感器铺放位置可以根据所要监测的复合材料结构件的具体部位的应变和温度而调整。

所述测试装置的使用方法：

闭合模具，对预浸料进行热压成型，从而实现树脂基复合材料的固化成型以及在此过程中对复合材料的应变和温度的全程在线实时监测；对固化成型后的复合材料结构件进行脱模：首先使复合材料结构件与上、下金属模板分离，再通过多个高分子膜与膜之间界面的滑移使复合材料结构件和模具侧壁框板分离，包括在引线沟槽部位的分离，同时动态实时采集温度和应变数据，也得到内部埋有FBG传感器的树脂基复合材料结构件。

所述的热压成型工艺根据需要来设定，例如：首先从室温升温至80℃，保温30min，然后升温至130℃，保温60min；两个阶段的压力均为0.5Mpa。

本发明有益的效果是：

本发明装置通过在模具侧壁框板上加工能引出FBG传感器引线的沟槽，有效解决了全刚性闭式模具中传感器引线难以引出的问题，并且明显降低了FBG传感器在铺设过程中的难度，有效避免了在此过程中传感器及引线的损坏。在铺设FBG传感器用来监测应变的同时，还铺设温度补偿传感器作为参考传感器，这样就可以在FBG传感器的反射波长图谱中将温度引起的影响和应变引起的影响分离开来，使所测得的应变数据更为精确、可靠。更为重要的是，在固化成型之前，对模具侧壁框板进行了完全的多层覆膜处理，从而避免了模具侧壁框板与复合材料的直接接触，而且多层高分子薄膜之间虽然接触但不粘结、易于滑移，有利于脱模，同时有助于避免复合材料结构件和模具框板的人为大变形，有效提高了埋植于复合材料中的FBG传感器的存活率。同时，FBG传感器的引线不会产生损坏，可以对成型后的复合材料结构件在之后的使役行为进行应变监测。

本发明方法使FBG传感器的引线能顺利地从模具侧壁框板的引线沟槽中引出，从而有效避免了后续热压固化成型阶段对光纤光栅的损伤。同时，通过对模具侧壁框板进行特殊的高分子薄膜多层包覆处理，使固化成型结束后复合材料结构件、包埋的FBG传感器及其引线的脱模难题得以解决。

附图说明

图1为本发明实施例装置结构图。

图2(a)为开有引线沟槽的模具俯视图；

图2(b)为开有引线沟槽的模具的A-A向视图；

图2(c)为覆有高分子膜的模具；

图2(d)为铺设有预浸料的模具；

图2(e)为铺设FBG应变传感器图；

图2(f)为铺设用于温度补偿的参考传感器图；

图2(g)为装配上模板后整体结构的主视图；

图2(h)为固化成型且脱模后的内植FBG传感器的复合材料结构件。

图3为FBG传感器监测得到的复合材料热模压固化成型升温过程中的应变、温度与时间关系曲线。

图4为FBG传感器监测得到的开模过程中复合材料结构件的应变、温度与时间关系曲线。

图5为脱模后的马鞍状固化变形的复合材料层合板以及FBG传感器的连线。

其中，1.模具侧壁框板，2.下模板，3.引线沟槽，4.耐高温高分子薄膜，5.预浸料，6.应变传感器(FBG)，7.用于温度补偿的参考传感器，8.上模板，9.埋有FBG传感器的复合材料结构件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的阐述。应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，包括铺设在模具中的树脂基复合材料预浸料5和中间布设的FBG传感器，在同一预浸料铺层内铺设多个FBG传感器或者在多个预浸料铺层内分别铺设FBG传感器，在第n层(n>1)沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器6，在第n+1层铺设作为温度补偿的参考传感器7，模具侧壁框板上设有引线沟槽3，模具侧壁框板及引线沟槽表面覆有耐高温高分子薄膜4，传感器的引线从模具侧壁框板1的引线沟槽3中引出与信号接收器接通。

制备和使用方法：

(1)将周向闭式的模具侧壁框板的每边的中间位置处和每个顶角处分别加工宽10mm、深1.5mm的引线沟槽。

(2)将模具侧壁框板的每边分别用三层耐高温聚酯薄膜完全包覆，使聚酯薄膜与模具侧壁框板紧紧贴合；每个引线沟槽处也包覆聚酯薄膜。

(3)利用预浸料裁切机构将预浸料按平行于纤维方向(0°方向)、垂直于纤维方向(90°方向)、与纤维轴线成45°方向逐层裁切，面内尺寸为300mm*300mm。

(4)准备FBG传感器，每个应变传感器的光纤上分布五个栅区；作为温度补偿的参考传感器上也相应地分布五个栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

(5)将步骤(3)中裁切得到的预浸料按照要求逐层铺设到由预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的侧壁框板围成的模腔内，铺层方式为[0₉/90₉]。在铺设过程中，按照设计在第5层沿着纤维轴线方向铺设应变传感器，在第6层铺设作为温度补偿的参考传感器。在45°方向也相应铺设应变传感器和温度补偿传感器。

(6)将FBG传感器的引线从对应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出。

(7)盖上预先涂好脱模剂的上模板，闭合模具，置入硫化机中，把从模具侧壁框板的引线沟槽中引出的FBG传感器的引线连接到信号接收器上，然后调试设备以采集数据；加热加压，使预浸料在全刚性闭式模具中热压成型，实现复合材料的固化，同时监测固化过程中的温度和应变的变化。

采用的热压工艺先从室温升温至80℃，保温30min，然后升温至130℃，保温60min；两个阶段的压力均为0.5Mpa。

(8)打开硫化机，首先使复合材料结构件与上、下金属模板分离，再通过多层聚酯膜与膜之间界面的滑移使复合材料结构件和模具侧壁框板分离(包括在引线沟槽部位的分离)，同时动态实时采集温度和应变数据，最终得到内部埋有FBG传感器的树脂基复合材料结构件。

实施例2：

一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，包括铺设在模具中的树脂基复合材料预浸料5和中间布设的FBG传感器，在同一预浸料铺层内铺设多个FBG传感器或者在多个预浸料铺层内分别铺设FBG传感器，在第n层(n>1)沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器6，也在第n层铺设作为温度补偿的参考传感器7，模具侧壁框板上设有引线沟槽3，模具侧壁框板及引线沟槽表面覆有耐高温高分子薄膜4，传感器的引线从模具侧壁框板1的引线沟槽3中引出与信号接收器接通。

制备和使用方法：

(1)将周向闭式的模具侧壁框板的每边的中间位置处和每个顶角处分别加工宽10mm、深2.0mm的引线沟槽。

(2)将模具侧壁框板的每边分别用四层耐高温玻璃纸完全包覆，使玻璃纸薄膜与模具侧壁框板紧紧贴合；每个引线沟槽处也包覆玻璃纸薄膜。

(3)利用预浸料裁切机构将预浸料按平行于纤维方向(0°方向)、垂直于纤维方向(90°方向)、与纤维轴线成45°方向逐层裁切，面内尺寸为600mm*400mm。

(4)准备FBG传感器，每个应变传感器的光纤上分布四个栅区；作为温度补偿的参考传感器上相应地分布四个栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

(5)将步骤(3)中裁切得到的预浸料按照要求逐层铺设到由预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的侧壁框板围成的模腔内，铺层方式为[0₈/45₈/90₈]。在铺设过程中，按照设计在第12层沿着纤维轴线方向铺设应变传感器，也在第12层铺设作为温度补偿的参考传感器。

(6)将FBG传感器的引线从对应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出。

(7)盖上预先涂好脱模剂的上模板，闭合模具，置入热模压机中，把从模具侧壁框板的引线沟槽中引出的FBG传感器的引线连接到信号接收器上，然后调试设备以采集数据；加热加压，使预浸料在全刚性闭式模具中热压成型，实现复合材料的固化，同时监测固化过程中的温度和应变的变化。

采用的热压工艺先从室温升温至80℃，保温30min，然后升温至130℃，保温60min；两个阶段的压力均为0.4Mpa。

(8)打开热模压机，首先使复合材料结构件与上、下金属模板分离，再通过多层玻璃纸膜与膜之间界面的滑移使复合材料结构件和模具侧壁框板分离(包括在引线沟槽部位的分离)，同时动态实时采集温度和应变数据，最终得到内部埋有FBG传感器的树脂基复合材料结构件。

实施例3：

一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，包括铺设在模具中的树脂基复合材料预浸料5和中间布设的FBG传感器，在同一预浸料铺层内铺设多个FBG传感器或者在多个预浸料铺层内分别铺设FBG传感器，在第n层(n>1)沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器6，在第n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器7，模具侧壁框板上设有引线沟槽3，模具侧壁框板及引线沟槽表面覆有耐高温高分子薄膜4，传感器的引线从模具侧壁框板1的引线沟槽3中引出与信号接收器接通。

制备和使用方法：

(1)将周向闭式的模具侧壁框板的每边的中间位置处和每个顶角处分别加工宽10mm、深2.0mm的引线沟槽。

(2)将模具侧壁框板的每边分别用两层耐高温聚酯薄膜完全包覆，使聚酯薄膜与模具侧壁框板紧紧贴合；然后在聚酯薄膜外再包覆两层玻璃纸，并且在每个引线沟槽处也包覆玻璃纸薄膜。

(3)利用预浸料裁切机构将预浸料按平行于纤维方向(0°方向)、垂直于纤维方向(90°方向)、与纤维轴线成45°方向逐层裁切，面内尺寸为600mm*600mm。

(4)准备FBG传感器，每个应变传感器的光纤上分布三个栅区；作为温度补偿的参考传感器上也相应地分布三个栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

(5)将步骤(3)中裁切得到的预浸料按照要求逐层铺设到由预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的侧壁框板围成的模腔内，铺层方式为[0/45/90/-45]_4s。在铺设过程中，按照设计在第12层沿着纤维轴线方向铺设作为温度补偿的参考传感器，在第13层铺设应变传感器。

(6)将FBG传感器的引线从对应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出。

(7)盖上预先涂好脱模剂的上模板，闭合模具，置入硫化机中，把从模具侧壁框板的引线沟槽中引出的FBG传感器的引线连接到信号接收器上，然后调试设备以采集数据；加热加压，使预浸料在全刚性闭式模具中热压成型，实现复合材料的固化，同时监测固化过程中的温度和应变的变化。

采用的热压工艺先从室温升温至80℃，保温30min，然后升温至140℃，保温40min；两个阶段的压力均为0.6Mpa。

(8)打开硫化机，首先使复合材料结构件与上、下金属模板分离，再通过多层高分子膜与膜之间界面的滑移使复合材料结构件和模具侧壁框板分离(包括在引线沟槽部位的分离)，同时动态实时采集温度和应变数据，最终得到内部埋有FBG传感器的树脂基复合材料结构件。

附图3为FBG传感器监测得到的复合材料热模压固化成型升温过程中的应变、温度与时间关系曲线。从所述曲线可以看出，当温度从100℃增加到140℃时，固化反应速率大，固化程度快速增加，由固化收缩导致的压应变增量和热膨胀导致的拉应变增量基本相同，在应变--时间关系曲线中综合表现为一个轻微的拉应变减小趋势。

附图4为FBG传感器监测得到的开模过程中复合材料结构件的应变、温度与时间关系曲线。从所述曲线可以看出，在启动开模3.7min左右，复合材料板和不锈钢模板逐渐分离(约5秒的时间)，由于复合材料板发生了脱模翘曲变形，在应变--时间关系曲线中表现为一个快速的拉应变增加现象。

附图5为脱模后的马鞍状固化变形的复合材料层合板以及FBG传感器的连线。

Claims (8)

1.一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，其特征是，包括铺设在模具中的树脂基复合材料预浸料和中间布设的FBG传感器，在同一预浸料铺层内铺设多个FBG传感器或者在多个预浸料铺层内分别铺设FBG传感器，在第n(n>1)层，沿着纤维轴线方向铺设FBG传感器作应变传感器，在第n层或者第n+1层或者第n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器，模具侧壁框板上设有引线沟槽，模具侧壁框板及引线沟槽表面覆有耐高温高分子薄膜，传感器的引线从模具侧壁框板的引线沟槽中引出与信号接收器接通。

2.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置，其特征是，所述的温度补偿的参考传感器与对应的应变传感器设置方向相同。

3.一种树脂基复合材料热模压固化变形的测试装置的制备方法，其特征是，包括步骤如下：

(1)在模具侧壁框板表面的合适位置加工出能使FBG传感器顺利引线的引线沟槽，然后在模具侧壁框板的每个长条边上分别包覆同质或异质的多层耐高温高分子薄膜，并将引线沟槽的各个表面也用高分子薄膜完全包覆；

(2)将预浸料按照复合材料结构件的形状尺寸以及力学性能的要求逐层裁剪，并在模具内按顺序铺设裁剪好的预浸料，在铺设预浸料过程中，将监测应变的FBG应变传感器按照监测需要埋入预定位置，加入参考传感器以对应变测量传感器进行温度补偿；

(3)铺设完FBG传感器后将传感器引线从预设的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，并将其与信号接收器接通。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，步骤(1)引线沟槽的位置设置在长条模具框板的1/2、1/4长度距离处。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述的监测应变的FBG应变传感器的光纤上分布数个栅区；作为温度补偿的参考传感器上也相应地分布数个栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管封装。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，步骤(2)中传感器的铺设方式为：在第n层n>1，沿着纤维轴线方向铺设应变传感器，在第n层或者第n+1层或者第n-1层铺设作为温度补偿的参考传感器，根据需要，在同一铺层内铺设多个FBG传感器，或者在多个铺层内分别铺设多个FBG传感器。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，所述温度补偿的参考传感器与对应的应变传感器之间距离为5～10mm。

8.权利要求1所述的测试装置的使用方法，其特征是，

闭合模具，对预浸料进行热压成型，从而实现树脂基复合材料的固化成型以及在此过程中对复合材料的应变和温度的全程在线实时监测；对固化成型后的复合材料结构件进行脱模：首先使复合材料结构件与上、下金属模板分离，再通过多个高分子膜与膜之间界面的滑移使复合材料结构件和模具侧壁框板分离，包括在引线沟槽部位的分离，同时动态实时采集温度和应变数据，也得到内部埋有FBG传感器的树脂基复合材料结构件。