CN106633137A - 一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的制造工艺 - Google Patents

一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的制造工艺 Download PDF

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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的制造工艺，包括：将玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化，制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的步骤；将光纤光栅固定于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的步骤；以及在固定有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的上方覆盖干态玻璃纤维布，真空辅助灌注液态环氧树脂，二次固化成型的步骤。本发明的制造工艺在封装过程中采用二次固化，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。

Description

一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的 制造工艺
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的制造工艺，具体涉及一种通过玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化、真空辅助灌注环氧树脂和高温二次固化制造玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的工艺。
背景技术
光纤光栅是一种新型的光无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。以光纤光栅为传感元件的传感器与传统的机电类传感器相比，具有质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、能长时间进行原位在线监测等优点，因此可以应用于如土木工程、飞行器、电力等工程技术领域。然而，光纤光栅传感器也存在一些缺点，比如在恶劣的工程环境中容易损伤，导致监测信号中断；当缺少温度补偿光纤光栅传感器时，从应变光纤光栅传感器的反射波长图谱中难以将温度引起的中心波长变化和应变引起的中心波长变化分离开来，即存在应变和温度交叉敏感的问题。
光纤光栅在苛刻环境中，尤其是有外力冲击时容易因脆断而失活，所以需要对其进行封装保护。光纤光栅传感器主要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金属管或其他硬质管中，然后在管内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、树脂等。由金属、树脂作为基片材料制成的光纤光栅传感器虽具有结构简单、易于安装的优点，但基片材料一般较厚，容易产生应变传递损耗，导致传感器监测精度差，灵敏度低，而且光纤光栅容易与基片材料脱粘，导致传感器监测稳定性差，服役寿命短；另外由金属、树脂作为基片材料制成的光纤光栅传感器很难同时具有耐化学试剂腐蚀、强度和刚度高、抗剪切能力强等优点。
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。该制造工艺在封装过程中采用二次固化，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。
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的制造工艺，包括：
将玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化，制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的步骤；将光纤光栅固定于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的步骤；以及在固定有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的上方覆盖干态玻璃纤维布，真空辅助灌注液态环氧树脂，二次固化成型的步骤。
上述制造工艺中，玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化的固化度小于0.4；优选为0.2-0.4。由于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，因此，固化度不宜过低；但预固化的程度也不宜过高，以免在后续的光纤光栅传感器的二次固化过程中玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板与真空辅助灌注的环氧树脂之间粘结强度较差。本发明对玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化的固化度进行了优化考察，结果发现固化度以0.2-0.4为宜。
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。
上述制造工艺中，所述光纤外套聚四氟乙烯管，其中聚四氟乙烯管管口与光栅栅区保持10mm以上的距离，并在管口处将光纤与聚四氟乙烯管之间的缝隙胶封；尾纤与一端带有光纤接头的传输光纤熔接。
上述制造工艺中，将光纤光栅取直并在承载一定预应力的状态下铺放于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，然后胶粘固定。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以防止其在光纤光栅传感器封装过程中出现微弯现象，有效提高光纤光栅传感器的监测精度和稳定性。
优选的，胶粘固定点分别为聚四氟乙烯管靠近栅区的管口以及光纤光栅的末端。
重复上述操作，可以在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上平行铺设多条光纤光栅。
上述制造工艺中，真空辅助灌注液态环氧树脂采用的方法为：
(1)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、上脱模布和导流网按序依次整齐铺放于底部钢板上，同时在光纤引出的一侧平行于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板铺放适当长度和外径的塑料缠绕管并将其两端固定；
(2)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圈紧密接触，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。
上述步骤(1)中，导流网和塑料缠绕管的铺设可以有效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。
上述步骤(2)中，树脂注入管管口与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板边缘接触，抽真空管管口与塑料缠绕管接触，然后将树脂注入管和抽真空管在与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板四周的密封胶条圈相接触处固定，树脂注入管的另一管口暂不作处理，抽真空管的另一管口与适当大小的多口密闭容器的一端口相连并密封，多口容器的另一端口与真空泵相连，其它端口密封。其中，多口密闭容器的设置是为了防止从抽真空管流出的环氧树脂进入真空泵。
上述步骤(2)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圈紧密接触，使钢板、密封胶条圈以及真空袋膜围成一个密闭的空间。
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。
上述制造工艺中，二次固化成型采用的方法为：
真空辅助灌注过程结束后，室温下放置20～28h，以促进真空辅助灌注的环氧树脂交联固化；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。
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环氧树脂和固化剂以及真空辅助灌注的环氧树脂和固化剂分子运动加剧，相互之间扩散程度更高，加之环氧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/环氧树脂复合材料基板达到完全固化状态，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。高温下的二次固化过程既促进环氧树脂充分固化，增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板与真空辅助灌注的环氧树脂之间的界面强度，也通过应力松弛效应减小玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器中的内应力。
上述制造工艺制备的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器为薄片复合材料结构，厚度为1～2mm，可以提高光纤光栅传感器的监测灵敏度和减少应变传递损耗，同时适合于内埋和外贴，应用范围更广。
本发明的有益效果：
(1)采用本发明提供的封装工艺制造的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器具有质量轻、耐腐蚀、强度和刚度高、韧性好、抗疲劳损伤能力强等优点，能够显著提高光纤光栅传感器的使用寿命，特别适用于对传感器重量要求严格以及服役环境较为苛刻的结构件的健康监测。
(2)本发明采用真空辅助灌注工艺封装光纤光栅，该工艺可以在环氧树脂灌注期间提供持续的真空压力，可以有效避免室温固化液态环氧树脂灌注期间因树脂冲刷光纤光栅而导致的光纤光栅弯曲现象；而且保持一定的真空度可以有效减少灌注的环氧树脂中的气泡含量，提高制造的光纤光栅传感器的监测精度和稳定性；用该工艺制造的光纤光栅传感器厚度更小，约1～2mm，可以提高光纤光栅传感器的监测灵敏度和减少应变传递损耗。
(3)采用本发明提供的封装工艺可以根据需要灵活地埋置多条应变光纤光栅或温度光纤光栅或光纤光栅串，实现对结构件表面或内部的温度和应变的分布式监测。
(4)本发明的制造工艺，以玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板材料，其刚度适宜，具有极小的应变传递损耗，将其粘贴于被测结构件表面时，光纤光栅传感器基片不会起到加强筋的作用，从而不会影响测试精度；以干态玻璃纤维布作为覆盖材料，使制备的光纤光栅传感器是透明的，便于目视检测传感器内部有无裂纹和孔洞。而且光纤光栅、玻璃纤维预浸料中的玻璃纤维和干态玻璃纤维布的主要材料组成相近，在物理力学性能方面存在相容性，能减少玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器的残余内应力以及应用过程中的应变传递损耗。
(5)本发明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：
(1)取三条单栅区的应变光纤，分别外套聚四氟乙烯管，其中聚四氟乙烯管管口与光栅栅区保持3cm的距离，并在该管口处将光纤与聚四氟乙烯管之间的缝隙胶封，以便光纤光栅取直固定，随后，将尾纤与一端带有光纤接头12的传输光纤11熔接后待用。
(2)截取两张尺寸为250mm*150mm的正交编织的玻璃纤维预浸料，将其对齐平铺，上下各铺一层相同尺寸的脱模布，然后将其置于两平整的钢板之间，在130℃、0.5MPa下预固化15min。预固化结束后，取下上下表面的脱模布，即制得预固化的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3。
(3)取一块350mm*350mm的平整钢板1，在其上依次整齐铺放尺寸为250mm*150mm的下脱模布2和步骤(2)中的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3，并将下脱模布2和玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3的四角固定于钢板1上(可以有效避免在后续操作过程中因脱模布和基板移动而导致的光纤光栅弯曲现象)；取步骤(1)中提前准备好的光纤光栅，将其取直并在承载一定预应力的状态下铺放于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上(可以有效提高光纤光栅传感器的监测精度和稳定性)，然后胶粘固定，胶粘固定点分别为聚四氟乙烯管靠近栅区的管口以及光纤光栅的末端。重复上述操作，在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上平行铺放另外两条光纤光栅，光纤光栅之间保持4cm的距离。
(4)在铺设有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3上依次平整铺放尺寸为250mm*150mm的干态玻璃纤维布5、上脱模布6和导流网9，同时在光纤引出的一侧平行于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3铺放长250mm，外径6mm的塑料缠绕管10并将其两端固定。该步骤中，导流网9和塑料缠绕管10的铺设可以有效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)在钢板1上围绕玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3粘贴密封胶条7，并使密封胶条7紧密粘合底部钢板1且形成一个密封胶条圈，为真空辅助灌注环氧树脂提供密封条件。
(6)截取两段长度均为100cm的透明PU导管(内径为6.5mm)分别作为树脂注入管8和抽真空管13，其中树脂注入管管口与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3边缘接触，抽真空管管口与塑料缠绕管10接触，然后将树脂注入管8和抽真空管13在与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板3四周的密封胶条圈相接触处固定，树脂注入管8的另一管口暂不作处理，抽真空管13的另一管口与500mL的两口烧瓶14的一端口相连并密封，两口烧瓶14的另一端口与真空泵相连。两口烧瓶14的设置是为了防止从抽真空管流出的环氧树脂进入真空泵。
(7)截取略大于密封胶条圈尺寸且具有一定强度和韧性的真空袋膜15，将其展平铺于密封胶条圈的上方，并与密封胶条圈紧密接触，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；检查装置气密性，直到装置气密性良好为止。
(8)将200g的双酚A型环氧树脂E-51(上海争锐化工有限公司)和80g的5784脂肪胺环氧固化剂(上海争锐化工有限公司)混合均匀后抽真空除气泡，除气泡时间保持在15min以内。
(9)将树脂注入管8接通存有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，打开真空泵，室温固化液态环氧树脂由树脂注入管8进入由底部钢板1、上层真空袋膜15以及密封胶条圈所形成的密闭空间内；一段时间后，当室温固化液态环氧树脂因部分交联固化而粘度较大时，即表示真空辅助灌注工作结束，然后将树脂注入管的管口封闭，保持真空泵继续工作5小时后关闭真空泵。真空辅助灌注环氧树脂结束后仍要保持真空泵继续工作一段时间，目的是为由底部钢板、上层真空袋膜以及密封胶条圈所形成的密闭空间提供持续的真空压力，促使真空辅助灌注的室温固化液态环氧树脂充分浸润干态玻璃纤维布并与底部的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板粘结。
(10)待整套真空辅助灌注装置在室温下放置24小时后脱模，取下其上下面的脱模布，然后将其置于两平整钢板之间，在平板硫化机的加热台上于130℃下加热2小时后自然冷却至室温，将其裁剪成所需要的尺寸，即制得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，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。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上相邻平行铺放应变光纤光栅和温度光纤光栅。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上铺放光纤光栅串。

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的制造工艺，其特征在于，包括：
将玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化，制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的步骤；将光纤光栅固定于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上的步骤；以及在固定有光纤光栅的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的上方覆盖干态玻璃纤维布，真空辅助灌注液态环氧树脂，二次固化成型的步骤。
2.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，玻璃纤维/环氧树脂预浸料预固化的固化度小于0.4；优选为0.2-0.4。
3.如权利要求1或2所述的制造工艺，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，所述光纤外套聚四氟乙烯管，其中聚四氟乙烯管管口与光栅栅区保持10mm以上的距离，并在管口处将光纤与聚四氟乙烯管之间的缝隙胶封；尾纤与一端带有光纤接头的传输光纤熔接。
5.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，将光纤光栅取直并在承载一定预应力的状态下铺放于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板上，然后胶粘固定。
6.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，真空辅助灌注液态环氧树脂采用的方法为：
(1)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、上脱模布和导流网按序依次铺放于底部钢板上，同时在光纤引出的一侧平行于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板铺放塑料缠绕管并将其两端固定；
(2)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圈紧密接触，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。
7.如权利要求6所述的制造工艺，其特征在于，步骤(2)中，树脂注入管管口与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板边缘接触，抽真空管管口与塑料缠绕管接触，然后将树脂注入管和抽真空管在与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板四周的密封胶条圈相接触处固定，树脂注入管的另一管口暂不作处理，抽真空管的另一管口与多口密闭容器的一端口相连并密封，多口容器的另一端口与真空泵相连，其它端口密封。
8.如权利要求1所述的制造工艺，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。
9.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，二次固化成型采用的方法为：
真空辅助灌注过程结束后，室温下放置20～28h，以促进真空辅助灌注的环氧树脂交联固化；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。
10.权利要求1-9任一项的制造工艺制备得到的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器。
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