CN207073301U - 一种高性能光纤内置式智能复合结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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结构，本实用新型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，可确保光纤光栅在纤维树脂基复合结构内部任意方向、任意层间可靠埋置，并保证光纤光栅光谱不畸变，显著提高了光纤光栅内置的成活率与使用寿命，制备的智能复合结构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
技术领域
本实用新型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结构。
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结构中，形成智能纤维树脂基复合结构，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，同时纤维树脂基复合结构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。
实用新型内容
为了克服上述不足，本实用新型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结构。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提供了一种高性能光纤内置式智能复合结构，包括纤维树脂基复合结构、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树脂基复合结构中，传感光纤光栅外包覆聚合物涂层，传感光纤光栅栅区外层包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，光纤光栅可在复合结构内部任意方向、任意层间可靠埋置，实现复合结构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，避免智能纤维树脂基复合结构成型后径向应力作用于光纤光栅导致光谱畸变等问题，提升光纤与复合结构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，大大减缓了纤维树脂基复合结构制备过程中，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，这样不影响复合结构成型后的性能。
优选的，所述的纤维树脂基复合结构的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维其中的一种，碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维均为现有的材料。
优选的，所述的纤维树脂基复合结构的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂中的一种，环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂均为现有材料。
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)，光纤光栅内置于纤维树脂基复合结构的任意层。
优选的，传感光纤光栅外包覆聚合物涂层为丙烯酸脂涂层或聚酰亚胺涂层，当纤维树脂基复合结构的成型温度与监测温度在小于130℃的情况下，传感光纤光栅外包覆聚合物涂层为丙烯酸脂涂层；当纤维树脂基复合结构的成型温度与监测温度在大于或等于130℃的情况下，传感光纤光栅外包覆聚合物涂层为聚酰亚胺涂层。
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，环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂均为现有材料。
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，环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂均为现有材料。
优选的，所述的尾纤保护套管采用特氟龙，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，所述的套管外径为1mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型光纤光栅可在纤维树脂基复合结构内部任意方向、任意层间可靠埋置，可实现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.本实用新型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，避免智能纤维树脂基复合结构成型后径向应力作用于光纤光栅导致光谱畸变等问题，提升光纤与纤维树脂基复合结构兼容性与力学匹配性；
3.本实用新型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，大大减缓了纤维树脂基复合结构制备过程中，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。
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为复合结构采用热压工艺整体成型平面图；
图2为复合结构采用热压工艺整体成型前视图；
其中，1.纤维树脂基复合结构，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.纤维树脂基复合结构预浸料，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结构，包括：纤维树脂基复合结构、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-环氧树脂复合结构中间层，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，光纤光栅栅区外层包覆环氧树脂胶涂层，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结构，包括：纤维树脂基复合结构、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-酚醛树脂复合结构中间层，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，光纤光栅栅区外层包覆酚醛树脂胶涂层，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结构，包括：纤维树脂基复合结构、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-乙烯基树脂复合结构上层，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，光纤光栅栅区外层包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结构，包括：纤维树脂基复合结构、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-酚醛树脂复合结构中间层，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，光纤光栅栅区外层包覆酚醛树脂胶涂层，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。
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 (8)
1.一种高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，包括纤维树脂基复合结构、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树脂基复合结构中，传感光纤光栅外层包覆聚合物涂层，传感光纤光栅栅区外层包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结构，其特征在于，所述的传感光纤光栅轴向可与纤维树脂基复合结构中的纤维方向呈任意方向铺设，光纤光栅内置于纤维树脂基复合结构的任意层。
3.如权利要求2所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，所述的传感光纤光栅轴向可与纤维树脂基复合结构中的纤维方向呈0°、90°、45°铺设。
4.如权利要求1所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，传感光纤光栅外层包覆丙烯酸脂涂层或聚酰亚胺涂层。
5.如权利要求4所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，当纤维树脂基复合结构的成型温度与监测温度在小于130℃的情况下，传感光纤光栅外层包覆丙烯酸脂涂层；当纤维树脂基复合结构的成型温度与监测温度在大于或等于130℃的情况下，传感光纤光栅外层包覆聚酰亚胺涂层。
6.如权利要求5所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，所述的丙烯酸脂涂层厚度为60μm～80μm，聚酰亚胺涂层厚度为10μm～25μm。
7.如权利要求1-6任一项所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，所述的尾纤保护套管采用特氟龙。
8.如权利要求7所述的高性能光纤内置式智能复合结构，其特征在于，所述的尾纤保护套管外径为1mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720969134.3U CN207073301U (zh) | 2017-08-04 | 2017-08-04 | 一种高性能光纤内置式智能复合结构 |
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| CN201720969134.3U CN207073301U (zh) | 2017-08-04 | 2017-08-04 | 一种高性能光纤内置式智能复合结构 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN107503525A (zh) * | 2017-08-04 | 2017-12-22 | 山东大学 | 一种高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法 |
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2017
- 2017-08-04 CN CN201720969134.3U patent/CN207073301U/zh active Active
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