CN106441390A - 一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器及其制备方法，包括：玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；至少一个负载在所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的光纤光栅；以及覆盖于光纤光栅上方的干态玻璃纤维布；所述干态玻璃纤维布经液态环氧树脂浸润，干态玻璃纤维布与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板之间灌注有液态环氧树脂，固化成型。本发明在保证光纤光栅传感器层间界面强度的基础上解决了传统光纤光栅传感器存在的一系列缺陷，实现了光纤光栅传感器对被测结构件温度与应变的精确测量，弥补了国内现有外贴式光纤光栅传感器的不足，同时具有很好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于结构健康监测和智能结构控制的光纤光栅传感器，具体涉及一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，属于光纤通信、传感和测量技术领域。
背景技术
重大工程结构的健康监测和智能结构控制都涉及到对结构当前状态的测量，光纤光栅以其质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点在航空航天、大型土木工程结构的健康监测和智能控制方面得到广泛应用。
工程化光纤光栅传感器主要从结构设计、材料选择、封装工艺三个方面进行设计制备，其中封装工艺是决定光纤光栅传感器特性的关键。目前，国际上光纤光栅传感器主流的封装方式为细径管保护式和表面粘贴式。其中细径管保护式是将裸光纤光栅放入直径较小的钢管中，中间灌满环氧树脂等胶加以固定保护。管式封装光纤光栅传感器多用于埋入结构件内部，用以监测结构件内部的损伤变形情况。但是，管式封装光纤光栅传感器存在埋入工艺复杂、封装工艺对胶粘剂要求高等缺陷，同时光纤光栅传输光缆的引出对结构件本身的设计提出较高要求。相比之下，表面粘贴式光纤光栅传感器结构简单，易于安装，应用更为广泛。
表面粘贴式光纤光栅传感器通常是将光纤光栅粘贴在胶基基片或者刻有凹槽的刚性基板上，做成传感器并保护好接头后使用，其中基片材料包括金属、树脂、有机玻璃等。金属基片式光纤光栅传感器虽具有结构简单、易于安装的优点，但容易产生应变传递损耗且易腐蚀；此外，当待测结构件模量较小时，外贴的光纤光栅传感器会起到加强筋的作用，影响测量精度；有机聚合物封装制备的光纤光栅传感器，虽然抗腐蚀能力大大提高，但存在强度和模量低、抗剪切能力差、应变传递损耗大等缺陷。
因此，有必要提供一种新型的光纤光栅传感器，以提高传感器的物理特性和测量精度。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在物理性能和测量精度等方面更具优势的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器。在保证光纤光栅传感器层间界面强度的基础上解决了传统光纤光栅传感器存在的一系列缺陷，实现了光纤光栅传感器对被测结构件温度与应变的精确测量，弥补了国内现有外贴式光纤光栅传感器的不足，同时具有很好的经济效益。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，包括：玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；
至少一条负载在所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的光纤光栅；
以及覆盖于光纤光栅上方的干态玻璃纤维布；
所述干态玻璃纤维布经液态环氧树脂浸润，干态玻璃纤维布与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板之间灌注有液态环氧树脂，固化成型。
进一步的，所述光纤光栅通过胶粘剂固定于所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上。胶粘剂的作用之一是将光纤光栅固定于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，避免光纤光栅在传感器制备过程中产生松动；作用之二是封住光纤与光纤护套(例如：聚氯乙烯管、特氟龙管)端部的间隙，避免在后续的真空辅助树脂灌注过程中出现漏气现象。
所采用的胶粘剂应具有粘着力强、不与基板材料反应并且快速粘结的特点，优选502胶作为固定光纤光栅的胶粘剂。
优选的，所述液态环氧树脂是由环氧树脂和固化剂按质量比1：1～10：1混配而成。上述组成的液态环氧树脂能够室温固化，具有热稳定性好、粘着力高等优点。
优选的，所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的厚度为0.25～0.50mm。基板主要起到定位、负载光纤光栅并将被测结构件的应变和温度传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，但其刚度又不能过大，否则当将其粘贴于被测结构件表面时，光纤光栅传感器基片会起到加强筋的作用，影响测试精度。本发明对玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的厚度进行了优化考察，结果发现，基板的厚度为0.25～0.50mm时，一方面具有合适的刚度，能够起到定位和负载光纤光栅的作用，另一方面避免光纤光栅传感器外贴于被测结构件上时因基板刚度过大而起到加强筋的作用，影响测试精度。
所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的面内尺寸根据具体封装要求而定，需要说明的是随着基板尺寸的增加，其上可布设的光纤光栅数量就可以越多，通过一次过程就可制备越多的光纤光栅传感器。
优选的，所述干态玻璃纤维布为1-3层。
本发明未对传感器中光纤光栅栅区的数量进行限定，可以根据具体要求自行选择光纤光栅串或者单栅区光纤光栅；同时本发明也未对所选光纤光栅的种类进行限定，可制备单纯的应变光纤光栅传感器，也可以将应变光纤光栅和温补光纤光栅相邻平行放置或在同一根光纤上串行布置，制备同时测量应变和温度的光纤光栅传感器。
本发明的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的设计构思为：
光纤光栅传感器的基板主要起到定位、负载光纤光栅并将被测结构件的应变和温度传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，但其刚度又不能过大，否则当将其粘贴于被测结构件表面时，光纤光栅传感器基片会起到加强筋的作用，影响测试精度；同时，为保证光纤光栅传感器可以精确反映被测结构件的温度和应变变化，基板材料需要具有极小的应变传递损耗；此外，希望整个传感器是透明的，便于目视检测传感器内部有无裂纹和孔洞。综合考虑以上性能要求，选择玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板材料。胶黏剂的作用是将光纤光栅粘贴于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，应具有粘着力强、不与基板材料反应并且快速粘结的特点，优选502胶作为固定光纤光栅的胶粘剂。考虑到光纤光栅传感器上方的覆盖层需要与基板具有材料相容性，因此选择干态玻璃纤维布作为光纤光栅传感器的覆盖层。真空辅助灌注的环氧树脂应具有良好的流动性，可以浸润干态玻璃纤维布且固化后使基板材料与其上方的玻璃纤维布具有很好的界面强度，综合以上性能要求，选择室温固化液态环氧树脂作为真空辅助灌注的树脂。
上述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器采用如下方法进行制备：
(1)将玻璃纤维/环氧树脂预浸料进行预固化，制备得到固化度为15-35％的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；
(2)将光纤光栅用胶粘剂固定在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，然后将下脱模布、固定有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板、干态玻璃纤维布和上脱模布按序依次整齐铺放于底部钢板上；
(3)在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部钢板且形成一个密封胶条圈；在密封胶条圈上布置树脂注入管和抽真空管；在密封胶条圈上方覆盖真空袋膜，使真空袋膜与密封胶条紧密接触，从而使底部钢板、上层真空袋膜以及密封胶条圈之间形成一个密闭空间；
(4)采用真空辅助灌注工艺将液态环氧树脂注入到由底部钢板、上层真空袋膜以及密封胶条圈所形成的密闭空间内；在真空辅助灌注过程结束后，室温下固化20-28h，脱模；然后在100-140℃条件下进行二次固化，固化时间为90-120min，冷却，裁剪成所需的尺寸，即得玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器。
优选的，步骤(1)中，预固化采用的工艺条件为：100-140℃、0.4-1.0MPa下固化15-20min；更优选为：130℃、0.5MPa下固化15min。
本发明对上述所用玻璃纤维/环氧树脂预浸料中的纤维方向未做限定，可根据所需光纤光栅传感器的性能自行选取。
优选的，步骤(2)中，将光纤光栅在取直且承载一定预应力的状态下用胶粘剂固定在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上。当光栅栅区弯曲时，在升降温及压力循环作用过程中玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板对光纤光栅的带动作用不固定，光纤光栅的弯曲方向不固定，造成测量数据重复性差。本发明在对光纤光栅进行固定时，使光纤光栅承载一定的预应力可防止其在光纤光栅传感器封装过程中出现微弯现象，提高了光纤光栅传感器的测试稳定性。
优选的，步骤(3)中，所述真空袋膜的尺寸应大于密封胶条圈所围空间的大小，从而确保真空袋膜与密封胶条紧密接触，使钢板、密封胶条圈以及真空袋膜围成一个密闭的空间。
优选的，步骤(4)中，在130℃条件下进行二次固化，固化时间为90-120min。
本发明采用二次固化工艺，部分固化的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板与部分固化的室温固化环氧树脂进行二次固化的工艺可以提高彼此间的界面强度。因为室温固化环氧树脂的分子量小，在室温放置期间，低分子量的室温固化环氧树脂以及其中的小分子固化剂会向玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的内部扩散；当在高温下二次固化时，玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板中的树脂和固化剂以及真空辅助灌注的树脂和固化剂分子运动加剧，相互之间扩散程度更高，加之树脂进一步交联固化，二者层间会形成较强的化学交联，界面强度会进一步提高。二次固化工艺还能使玻璃纤维/环氧树脂预浸料达到完全固化状态，以提高玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的性能稳定性。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板和保护膜，与传统的金属基片式或树脂基片式光纤光栅传感器相比，具有质轻、强度和刚度高、韧性好、耐腐蚀、应变传递损耗小等优点，可以应用于航空航天、大型土木工程、机械装备等结构的健康监测，应用范围更为广泛。
(2)本发明的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器将光纤光栅完全包埋于玻璃纤维/环氧树脂复合材料内部，在真空辅助灌注液态环氧树脂的过程中，环氧树脂将光纤光栅四周完全充满，在复杂的工作环境中不会出现光纤光栅与基板脱粘的现象，测试结果具有很好的精确度及稳定性，而传统的外贴式光纤光栅传感器仅通过胶黏剂将光纤光栅粘贴于树脂或其他材料制成的基板上，导致光纤光栅与基板的界面粘结不均匀致密，使光纤光栅与基板易于脱粘且测试精度受环境影响大。
(3)本发明的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器为薄片复合材料结构，可同时适合于内埋和外贴，具有更广泛的应用范围。
(4)本发明的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的设计制备工艺灵活多变，可制备单纯的应变光纤光栅传感器，也可以将应变光纤光栅和温补光纤光栅相邻平行放置或者在同一光纤上串行布置，制备兼具应变和温度测量的多用途光纤光栅传感器。此外，还可以选用光纤光栅串来实现对应变和温度的多点测量。
(5)本发明的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的制造工艺简单稳定，在封装过程中采用二次固化工艺，显著提高了层间界面强度，从而提高了光纤光栅传感器的测试精度和稳定性，可实现光纤光栅传感器的批量化生产，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。
附图说明
图1a为本发明实施例的装置示意图；
图1b为图1a中B位置的铺层展开图；
图2为光纤光栅传感器的结构示意图及A-A位置剖面图；
图3为光纤光栅传感器实际测试的中心波长-温度关系曲线。
其中，1为钢板；2为下脱模布；3为玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；4为光纤光栅；5为干态玻璃纤维布；6为上脱模布；7为密封胶条；8为树脂注入管；9为导流网；10为塑料缠绕管；11为传输光纤；12为光纤接头；13为抽真空管；14为两口烧瓶；15为真空袋膜；16为抽滤瓶。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，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：
一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其结构如图1a、图1b和图2所示，包括：玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3；负载在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上表面的光纤光栅4；以及覆盖于光纤光栅4上方的干态玻璃纤维布5；
所述干态玻璃纤维布5经真空辅助灌注的液态环氧树脂浸润，干态玻璃纤维布5与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3之间灌注液态环氧树脂，通过固化树脂内的共价键作用而牢固结合，共同组成一个完整的光纤光栅传感器。
具体来说：
所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3位于整个光纤光栅传感器的底部，其上表面用以负载光纤光栅4，其下表面粘贴于被测结构件上。玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3主要起到定位、负载光纤光栅4并将被测结构件的应变和温度传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，可以负载取直后粘贴于其上的光纤光栅；同时，为保证光纤光栅传感器可以精确反映被测结构件的温度和应变变化，基板材料需要具有极小的应变传递损耗；此外，希望整个传感器是透明的，便于目视检测传感器内部有无裂纹和孔洞。综合考虑以上性能要求，选择玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板材料。
所述光纤光栅4在取直并承载一定预应力的状态下用胶粘剂(502胶)粘贴于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上。
所述胶粘剂的作用之一是将光纤光栅4固定于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上，避免光纤光栅在传感器制备过程中产生松动；作用之二是封住光纤与光纤护套(聚氯乙烯管、特氟龙管)端部的间隙，避免在后续的真空辅助树脂灌注过程中出现漏气现象。
所述干态玻璃纤维布5作为覆盖层位于光纤光栅4的上方，经过真空辅助灌注的液态树脂浸润以及后续的固化成型，干态玻璃纤维布5与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3之间通过固化树脂内的共价键作用而牢固结合，共同组成一个完整的光纤光栅传感器。干态玻璃纤维布5与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3之间具有材料相容性，可以减小光纤光栅传感器制备过程中存在的内应力现象。
所述液态环氧树脂的作用是浸润干态玻璃纤维布5并覆盖底部的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3，各层之间依靠固化树脂内的共价键作用粘结在一起并形成良好的界面关系。
该玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，具体封装步骤如下：
(1)选取面内尺寸为450mm*450mm的钢板作为下模板，将裁剪得到的两张面内尺寸均为350mm*300mm的正交编织的玻璃纤维/环氧树脂预浸料以及同样尺寸的两张脱模布，按照下脱模布、玻璃纤维/环氧树脂预浸料、上脱模布的顺序依次整齐铺放于下模板上，其上放置与下模板同样大小的上模板，随后将整个装置放入平板硫化机中，在130℃、0.5MPa的温度和压力下固化15min后取出，取下上脱模布和下脱膜布，即可得到预固化的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板(固化度为20％)。
(2)准备两条单栅区的光纤光栅4，栅区长10mm，尾纤使用特氟龙管保护，并熔接传输光纤11后待用。
(3)选取一块面内尺寸为500mm*500mm且表面平整的钢板1放于实验台上，将玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3与同尺寸的干态玻璃纤维布5、下脱模布2、上脱模布6以及光纤光栅4按照下脱模布2、玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3、光纤光栅4、干态玻璃纤维布5、上脱模布6的顺序依次整齐铺放于底部钢板1上，需要注意的是光纤光栅4在取直且承载一定预应力的状态下用502胶粘贴于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上，两条光纤光栅之间的距离保持4cm，同时将光纤与光纤护套(聚氯乙烯管、特氟龙管)端部的间隙密封。
(4)在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3四周粘贴密封胶条7，使密封胶条7紧密粘合底部钢板1且形成一个密封胶条圈。将树脂注入管8的一端端口固定在密封胶条圈上，另一端暂不处理；同样将抽真空管13的一端端口与塑料缠绕管10接触后固定在密封胶条圈上，另一端通过两口烧瓶14连接真空泵。其中，塑料缠绕管10可以促使真空辅助灌注的环氧树脂顺利而均匀地从树脂导入端流到树脂导出端。
(5)在密封胶条圈上方覆盖真空袋膜15，使真空袋膜15与密封胶条7紧密接触，从而使底部钢板1、上层真空袋膜15以及密封胶条圈之间形成一个密闭空间。
(6)将树脂注入管8的自由端暂时密封，打开真空泵，检查整个装置的气密性。
(7)将双酚A型环氧树脂E-51和5784脂肪胺环氧固化剂按照质量比5:2混配均匀，随后将其倒入抽滤瓶16中，采用循环抽真空的方式去除胶液中的气泡，时间保持在15min以内，从而避免环氧树脂因固化而失去流动性。
(8)将树脂注入管8的自由端接通存有了组分已配制好且脱泡的室温固化液态环氧树脂的抽滤瓶16，采用真空辅助灌注工艺将室温固化液态环氧树脂注入到由底部钢板1、上层真空袋膜15以及密封胶条圈所形成的密闭空间内；在真空辅助灌注过程结束后，整个装置在室温下固化24h后，脱模(即脱去下脱模布2和上脱模布6)。
(9)将初步得到的光纤光栅传感器的上、下表面用钢板夹持并置于平板硫化机中进行二次固化，固化过程不加外压，使光纤光栅传感器在130℃下固化120min。在二次固化完成后使其自然冷却，然后将其裁剪成所需的尺寸，即可得到本发明所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器。
采用本实施例制造的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，实测了从-30℃到60℃的升温过程中的中心波长变化，结果如图3所示，在转换成温度值后与标定用精密测温仪器所得的温度相同，显示了很高的测试精度。
对比例1：
与实施例1的不同之处在于，将光纤光栅传感器的基板材料替换为碳纤维/环氧树脂复合材料，将干态玻璃纤维布替换为碳纤维织物。
对比例2：
与实施例1的不同之处在于，将光纤光栅传感器的基板材料替换为芳纶纤维/环氧树脂复合材料，将干态玻璃纤维布替换为芳纶纤维织物。
对比例3：
与实施例1的不同之处在于，将玻璃纤维/环氧树脂预浸料完全固化，制备得到玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板，即真空辅助灌注工艺注入液态环氧树脂后不再采用二次固化工艺。
将对比例1-3制造的光纤光栅传感器，实测了从-30℃到60℃的升温过程中的中心波长变化，在转换成温度值后与标定用精密测温仪器所得的温度进行比较，结果温度值均存在一定的差值。通过比较可以看出，实施例1制备的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器在测试精度上要优于对比例1-3。
Claims (10)
1.一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，包括：玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；
至少一条负载在所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的光纤光栅；
以及覆盖于光纤光栅上方的干态玻璃纤维布；
所述干态玻璃纤维布经液态环氧树脂浸润，干态玻璃纤维布与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板之间灌注有液态环氧树脂，固化成型。
2.如权利要求1所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅通过胶粘剂固定于所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上。
3.如权利要求2所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，所述胶粘剂为502胶。
4.如权利要求1所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，所述液态环氧树脂是由环氧树脂和固化剂按质量比1：1～10：1混配而成。
5.如权利要求1所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的厚度为0.25～0.50mm。
6.如权利要求1所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其特征在于，所述干态玻璃纤维布为1-3层。
7.权利要求1-6任一项所述的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)将玻璃纤维/环氧树脂预浸料进行预固化，制备得到玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；
(2)将光纤光栅用胶粘剂固定在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，然后将下脱模布、固定有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板、干态玻璃纤维布和上脱模布按序依次铺放于底部钢板上；
(3)采用真空辅助灌注工艺注入液态环氧树脂，室温下固化20-28h，脱模；然后在100-140℃条件下进行二次固化，固化时间为90-120min，冷却，裁剪成所需的尺寸，即得玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，预固化采用的工艺条件为：100-140℃、0.4-1.0MPa下固化15-20min；优选为：130℃、0.5MPa下固化15-20min。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将光纤光栅在取直且承载一定预应力的状态下用胶粘剂固定在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，真空辅助灌注工艺注入液态环氧树脂的具体操作为：在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部钢板且形成一个密封胶条圈；在密封胶条圈上布置树脂注入管和抽真空管；在密封胶条圈上方覆盖真空袋膜，使真空袋膜与密封胶条紧密接触，从而使底部钢板、上层真空袋膜以及密封胶条圈之间形成一个密闭空间，采用真空辅助灌注工艺将液态环氧树脂注入到密闭空间内。
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