CN107503525A - 一种高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法，本发明将光纤光栅外涂覆聚合物，光纤光栅栅区外层涂覆耐高温树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅外设置树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置尾纤保护套管，可确保光纤光栅在复合材料内部任意方向、任意层间可靠埋置，并保证光纤光栅光谱不畸变，提升光纤与复合材料的兼容性与力学匹配性，显著提高了光纤光栅内置的成活率与使用寿命，制备的智能复合材料在完成工程结构加固与增强功能的基础上，可用于重点区域拉压及弯曲的测量，具有很好的推广应用价值。

Description

一种高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤智能复合材料与结构制造领域，具体涉及一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法。
背景技术
在大型工程中，如桥梁、隧道、大坝等建筑物，随着运营时间增加，材料老化、环境腐蚀以及自然灾害等原因，导致大型结构受损或结构承载力降低，造成潜在的安全事故。纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、强度高、良好的抗腐蚀性能、良好的弹性性能、较好的设计性、绝缘、隔热、抗电磁波、不导磁、热膨胀系数小等优点，在工程结构加固方面具有巨大优势，近年来广泛应用于桥梁、坝体等大型工程的加固中，备受工程界所青睐。
光纤光栅作为一种传感元件，以光信号为测量信源，具有体积小、精度高、防水防潮、抗电磁干扰、材质轻柔便于内置、易于组网、能够实现实时监测等优点。将光纤内置于纤维增强复合材料结构中，形成智能纤维复合材料，可以实现复合材料对工程结构加固的同时能够对加固区域的拉压及弯曲进行实时监测，具有成本低、不受电磁干扰、能监测结构内部变化等特点。采用内置光纤的智能复合材料实时监测大型结构的健康状态是大型工程安全监测技术的重要发展趋势。
中国专利CN 102809790 B公开了一种复合材料内置光纤的保护方法，内置光纤复合材料经高分子薄膜涂覆后置入及光纤引出部分浇注一层硅橡胶，解决了复合材料制作过程中抽真空以及打压等压力的作用导致光纤的断裂以及滑移的技术问题，防止复合材料固化后脱模以及使用过成中对光纤的损伤。但光纤光栅仍存在径向应力作用以及不同纤维铺设方向造成的非均匀应力作用导致的光谱畸变、双高折射现象或光谱展宽等问题，同时纤维复合材料的成型过程须进行固化及脱模，加大了光纤损伤及滑移的程度，影响光纤的寿命及后续检测准确度。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的一个目的是提供一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料。
本发明的第二个目的是提供一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料预浸料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料板的制备方法。
本发明的第四个目的是提供一种兼具工程结构加固及传感功能的高性能光纤内置式智能复合材料板在建筑、桥梁、隧道、大坝等建筑物和构筑物实时检测监测方面的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种高性能光纤内置式智能复合材料，包括纤维复合材料、传感光纤光栅及尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于纤维复合材料中，传感光纤光栅外层涂覆聚合物，传感光纤光栅栅区外层涂覆耐高温树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置尾纤保护套管。
一方面，光纤光栅可在复合材料内部任意方向、任意层间可靠埋置，实现复合材料对工程结构加固的同时能够对加固区域的拉压及弯曲进行实时监测的效果；
另一方面，光纤光栅外采用聚合物涂覆保护及光纤光栅栅区采用耐高温树脂胶涂层保护，避免智能纤维复合材料成型后径向应力作用于光纤光栅导致光谱畸变等问题，提升光纤与复合材料兼容性与力学匹配性；
第三方面，采用树脂胶膜对涂层保护后的光纤光栅进行预固定，将树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固，保证光纤光栅轴向预应力，有效的保护了光纤光栅的栅区，大大减缓了纤维复合材料制备过程中，在降温冷却阶段残余应力造成的树脂收缩导致栅区受力不均的问题。胶膜上的树脂和预浸料的树脂一致，这样不影响复合材料成型后的性能。
优选的，所述的纤维复合材料为是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维其中的一种或者多种与环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂其中的一种或者多种按一定比例混合得到的树脂基复合材料预浸料组成。
优选的，所述的传感光纤轴向可与纤维方向呈任意方向铺设(如：纤维与光纤方向呈0°、90°、45°等)，光纤光栅可以内置于纤维复合材料的任意层。
优选的，光纤光栅采用丙烯酸脂或聚酰亚胺涂覆，当纤维复合材料的成型温度与监测温度在小于130℃的情况下，对光纤光栅进行丙烯酸脂涂覆；当复合材料的成型温度与监测温度在大于或等于130℃的情况下，对光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆。
优选的，所述的丙烯酸涂层厚度为60μm～80μm，聚酰亚胺涂层厚度为10μm～25μm，光纤光栅的表面涂覆一层高分子薄膜(可为丙烯酸薄膜或聚酰亚胺薄膜)涂覆层太厚影响传感器灵敏度，太薄起不到保护光纤的作用。
优选的，所述的耐高温树脂胶涂层为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。
优选的，所述的树脂胶膜和预浸料的树脂材料一致，为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。
优选的，所述的尾纤保护套管采用特氟龙材料，套管外径为1mm。尾纤保护套管可在成型及监测高低温环境下有效保护光纤。
本发明还提供了一种高性能光纤内置式智能复合材料预浸料的制备方法，包括如下步骤：
1、光纤光栅预处理：光纤光栅采用丙烯酸脂或聚酰亚胺涂覆，光纤光栅栅区采用耐高温树脂胶涂层涂覆；
2、铺层：把光纤光栅内置于纤维复合材料中间层，纤维方向和光纤光栅设置成一定角度；
3、光纤光栅预固定：将树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固，保证光纤光栅轴向预应力，有效保护光纤光栅的栅区；
4、尾纤保护：光纤引出尾纤部分设置尾纤保护套管，可在成型及监测高低温环境下有效保护光纤。
优选的，所述的纤维复合材料为是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维其中的一种或者多种与环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂其中的一种或者多种按一定比例混合得到的树脂基复合材料预浸料组成。
优选的，所述的纤维方向可与传感光纤轴向呈任意方向铺设(如：纤维与光纤方向呈0°、90°、45°等)，光纤光栅可以内置于纤维复合材料的任意层。
优选的，当纤维复合材料的成型温度与监测温度在小于130℃的情况下，对光纤光栅进行丙烯酸脂涂覆；当复合材料的成型温度与监测温度在大于或等于130℃的情况下，对光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆。
优选的，所述的丙烯酸涂层厚度为60μm～80μm，聚酰亚胺涂层厚度为10μm～25μm。
优选的，所述的耐高温树脂胶涂层为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。
优选的，所述的树脂胶膜预浸料的树脂材料一致，为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。
优选的，所述的尾纤保护套管采用特氟龙材料，套管外径为1mm。
本发明还提供了一种高性能光纤内置式智能复合材料板的制备方法，还包括如下步骤：
采用热压工艺对内置传感光纤的多层树脂基复合材料预浸料进行整体成型，热压工艺的方法为：逐步升温至110-150℃、加压0.5-0.9Mpa维持3-4h，后降温至40-60℃泄压，冷却时间4-6h。
本发明还提供了任一上述的高性能光纤内置式智能复合材料板在建筑、桥梁、隧道、
大坝等建筑物和构筑物实时检测监测方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明光纤光栅可在复合材料内部任意方向、任意层间可靠埋置，可实现复合材料对工程结构加固的同时能够对加固区域的拉压及弯曲进行实时监测的效果；
2.本发明中光纤光栅外采用高分子涂覆保护及光纤光栅栅区采用耐高温树脂胶涂层
保护，避免智能纤维复合材料成型后径向应力作用于光纤光栅导致光谱畸变等问题，提升光纤与复合材料兼容性与力学匹配性；
3.本发明采用树脂胶膜对涂层保护后的光纤光栅进行预固定，将树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固，保证光纤光栅轴向预应力，有效的保护了光纤光栅的栅区，大大减缓了纤维复合材料制备过程中，在降温冷却阶段残余应力造成的树脂收缩导致栅区受力不均的问题，提高了光纤光栅内置的成活率与使用寿命。
4.本发明制备的智能复合材料在完成工程结构加固与增强功能的基础上，可同时用于重点区域拉压及弯曲的测量，对具有很好的推广应用价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为复合材料采用热压工艺整体成型平面图；
图2为复合材料采用热压工艺整体成型前视图；
图3为实施例5制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板的光谱图；
图4为实施例5制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板拉伸试验的测试图；
图5为实施例6制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板的光谱图；
图6为实施例6制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板不同应力下光纤光栅中心波长的变化。
其中，1.纤维复合材料，2.传感光纤光栅，3.传感光纤光栅栅区，4.树脂胶膜，5.尾纤保护套管，6.纤维树脂基复合材料预浸料，7.聚合物涂覆的光纤光栅，8.耐高温树脂胶涂层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
一种高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料，包括：纤维复合材料、传感光纤光栅、尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于碳纤维-环氧树脂复合材料中间层，碳纤维与光纤方向呈0°夹角，传感光纤光栅外包覆10μm厚聚酰亚胺涂层，光纤光栅栅区外层涂覆环氧树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置环氧树脂树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置特氟龙尾纤保护套管，套管外径为1mm。
实施例2
一种高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料，包括：纤维复合材料、传感光纤光栅、尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于玻璃纤维-酚醛树脂复合材料中间层，碳纤维与光纤方向呈90°夹角，传感光纤光栅外包覆60μm厚丙烯酸酯涂层，光纤光栅栅区外层涂覆酚醛树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置酚醛树脂树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置特氟龙尾纤保护套管，套管外径为1mm。
实施例3
一种高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料，包括：纤维复合材料、传感光纤光栅、尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于碳纤维-乙烯基树脂复合材料上层，碳纤维与光纤方向呈45°夹角，传感光纤光栅外包覆25μm厚聚酰亚胺涂层，光纤光栅栅区外层涂覆乙烯基树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置乙烯基树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置特氟龙尾纤保护套管，套管外径为1mm。
实施例4
一种高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料，包括：纤维复合材料、传感光纤光栅、尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于芳纶纤维-酚醛树脂复合材料中间层，碳纤维与光纤方向呈60°夹角，传感光纤光栅外包覆80μm厚丙烯酸酯涂层，光纤光栅栅区外层涂覆酚醛树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置酚醛树脂树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置特氟龙尾纤保护套管，套管外径为1mm。
实施例5
一种长为55cm、宽为22.5cm、厚度为3mm高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料板，具体制作步骤如下：
1、光纤光栅预处理：光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆，聚酰亚胺涂层厚度为20μm，聚酰亚胺涂覆的光纤光栅栅区采用环氧树脂胶涂层保护。
2、铺层：把光纤光栅内置于碳纤维复合材料中间层，碳纤维方向和光纤光栅方向成0°夹角。
3、光纤光栅预固定：将环氧树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固，保证光纤光栅轴向预应力，而且有效的保护了光纤光栅的栅区。
4、光纤引出尾纤部分采用特氟龙材料套管保护，可在成型及监测高低温环境下有效保护光纤。
5、采用热压工艺成型：对内置传感光纤的多层树脂基复合材料预浸料采用整体热压工艺成型，热压时逐渐升温至60℃加压约0.5Mpa，保持90分钟后继续升温至80℃，保持30分钟后继续升温至100℃，保持30分钟后继续升温至130℃，保持40分钟后，降温保压使其冷却至最少60℃泄压，冷却时间4小时。
采用本实施例制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板，光谱图如图3所示。
采用拉力机对本实施例制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板进行拉伸试验，测试结果如图4所示。
实施例6
一种长为55cm、宽为22.5cm、厚度为2mm高性能光纤内置式碳纤维智能复合材料板，具体制作步骤如下：
1、光纤光栅预处理：光纤光栅进行丙烯酸酯涂覆，丙烯酸涂层厚度为70μm，丙烯酸涂覆的光纤光栅栅区采用酚醛树脂胶涂层保护。
2、铺层：把光纤光栅内置于靠近碳纤维复合材料下表层0.5mm处，碳纤维方向和光纤光栅方向成90°夹角。
3、光纤光栅预固定：将酚醛树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固，保证光纤光栅轴向预应力，而且有效的保护了光纤光栅的栅区。
4、光纤引出尾纤部分采用特氟龙材料套管保护，可在成型及监测高低温环境下有效保护光纤。
5、采用热压工艺成型：对内置传感光纤的多层树脂基复合材料预浸料采用整体热压工艺成型，热压时逐渐升温至90℃加压约0.9Mpa，保持半小时后继续升温最终到120℃，保持2.5小时后，降温保压使其冷却至最少60℃泄压，冷却时间4小时。
采用本实施例制作的光纤内置式碳纤维智能复合材料板，光谱图如图5所示。
采用边界双端简支中心加载的方式，测量了不同应力下光纤光栅中心波长的变化，如图6所示。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，包括纤维复合材料、传感光纤光栅及尾纤保护套管，所述的传感光纤光栅内置于纤维复合材料中，传感光纤光栅外层涂覆聚合物，传感光纤光栅栅区外层涂覆耐高温树脂胶涂层，涂层保护后的光纤光栅栅区外设置树脂胶膜预固定，光纤引出的尾纤部分设置尾纤保护套管。
2.如权利要求1所述的高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，所述的纤维复合材料为是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维其中的一种或者多种与环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂其中的一种或者多种按一定比例混合得到的树脂基复合材料预浸料组成。
3.如权利要求1所述的高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，所述的传感光纤轴向与纤维方向呈任意方向铺设，光纤光栅内置于纤维复合材料的任意层。
4.如权利要求1-3任一所述的高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，所述传感光纤光栅外层涂覆聚合物采用丙烯酸脂或聚酰亚胺涂覆，所述的丙烯酸涂层厚度为60μm～80μm，聚酰亚胺涂层厚度为10μm～25μm。
5.如权利要求1-3任一所述的所述的高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，所述的耐高温树脂胶涂层与树脂胶膜为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。
6.如权利要求1-3任一所述的所述的高性能光纤内置式智能复合材料，其特征在于，所述的尾纤保护套管采用特氟龙材料，套管外径为1mm。
7.一种高性能光纤内置式智能复合材料预浸料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光纤光栅预处理：光纤光栅采用丙烯酸脂或聚酰亚胺涂覆，光纤光栅栅区采用耐高温树脂胶涂层涂覆；
(2)铺层：把光纤光栅内置于纤维复合材料中间层，纤维方向和光纤光栅设置成一定角度；
(3)光纤光栅预固定：将树脂胶膜粘贴在施加有预应力的光纤光栅栅区，通过局部加热使树脂初固；
(4)尾纤保护：光纤引出尾纤部分设置尾纤保护套管，可在成型及监测高低温环境下有效保护光纤。
8.如权利要求7所述的高性能光纤内置式智能复合材料预浸料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中当纤维复合材料的成型温度与监测温度在小于130℃的情况下，对光纤光栅的进行丙烯酸脂涂覆；当复合材料的成型温度与监测温度在大于或等于130℃的情况下，对光纤光栅进行聚酰亚胺涂覆。
9.一种高性能光纤内置式智能复合材料板的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：采用热压工艺对内置传感光纤的多层树脂基复合材料预浸料进行整体成型，热压工艺的方法为：逐步升温至110-150℃、加压0.5-0.9Mpa维持3-4h，后降温至40-60℃泄压，冷却时间4-6h。
10.如权利要求9所述方法制备的高性能光纤内置式智能复合材料板在建筑、桥梁、隧道、大坝等建筑物和构筑物实时检测监测方面的应用。
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