一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置与方法，(1)采用相位掩膜法在单根耐高温光纤上间隔写入中心波长不同的多个光纤Bragg光栅，制成光栅串，并使用耐高温复合材料对栅区进行涂覆；(2)将处于松弛状态的温补光栅串套入不锈钢毛细管中，保证其在复合材料固化成型过程中不受应变影响；(3)使用耐高温特氟龙管对光纤引线进行保护，并与光纤连接器进行熔接；(4)按照预先设计好的方案进行光纤Bragg光栅的铺设，并将光纤引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出；(5)将信号传输光纤连接到光纤光栅解调仪上，实时监测固化过程中的温度和应变的变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纤维复合材料固化变形的光纤光栅监测领域，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实时监测装置以及植入光栅的预处理和铺设方法。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和良好的可设计性，在航空航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。然而，在复合材料结构件的固化成型过程中，由于材料热胀或者热缩效应、树脂基体的化学收缩效应、复合材料与模具之间的相互作用等因素的协同影响，往往在复合材料结构件内部产生复杂的内应力，导致脱模后的结构件发生固化变形现象。这种现象严重影响了结构件的性能，降低了产品的合格率。因此，分析纤维复合材料结构件的模内热固化成型和内应力演变过程，进而调控结构件的脱模变形，具有重要的科学意义和工程应用价值。早期用于检测复合材料固化过程方法主要有动态弹簧法、差示扫描量热法和红外频谱法，其局限在于只能把有限的样片放在一起内进行检测，然后将测量结果作为经验推广到生产实际中，无法实现固化工艺过程中的实时定量监测。后来发展的动态介电分析法可以在线检测数值的粘度变化，但成本较高。
技术实现思路
本专利技术为了解决光纤Bragg光栅传感器对温度和应变同时敏感的问题，使其能够准确测得复合材料固化成型过程中的温度变化和材料的变形情况，公开了一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置与方法，实现对复合材料固化变形过程温度与应变的实时监测，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的全寿命周期监测，使研究人员能对固化变形的微观机理和应力传递有更为清晰的认识，实现材料性能的有效控制，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。一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，包括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，在所述的模腔内逐层铺设有预先裁切好的纤维预浸料；在每一层的纤维预浸料上沿着纤维方向铺设有应变光纤Bragg光栅串，且在应变光纤Bragg光栅串的一侧平行的铺设有与其数量相等的温度补偿光栅串，应变光纤Bragg光栅串的引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，与光纤光栅解调仪相连，对传感器网络所采集的数据进行实时监测。所述的应变光纤Bragg光栅串采用并联与串联相结合的组网方式组成传感器网络，不同波长的光栅串联在一根光纤上形成光栅串，多根光纤光栅串通过耦合器并联在一起。所述的应变光纤Bragg光栅串和温度补偿光栅串上涂覆有耐高温复合材料。所述的温度补偿光栅串的各个栅区上套装在不锈钢毛细管内，两端用GD-4双组份胶进行密封。所述的温度补偿光栅串整个套装在不锈钢毛细管内，一端用GD-4双组份胶密封，另一端处于自由状态。位于纤维预浸料外部的光纤套入耐高温特氟龙管内，与光纤连接器进行熔接。在温补光栅串在沿不同方向进行铺设时，间隔多层预浸料，并尽量避免不锈钢毛细管的交叉，同时对毛细不锈钢管下方与上方的预浸料进行处理，保证成型后材料的厚度一致。与传统固化监测装置相比，光纤传感器体积小、灵敏度高、柔韧性强，可以较为方便地埋入材料中，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。所述装置的制作方法如下：步骤一光纤Bragg光栅传感器的制作(1-1)制作光纤光栅串：采用相位掩膜的方法在单根光纤上间隔写入多个中心波长不同的光纤Bragg光栅；(1-2)温补光栅串的保护：截取不锈钢毛细管，逐个套在温补光栅串的各个栅区上，两端进行密封，常温放置设定的时间后使其完全固化；或者使用长度大于复合材料预浸料长度的不锈钢毛细管将光栅串全部套入，一端密封，另一端处于自由状态，使得温补光栅在毛细管内可以活动而不受复合材料形变对其的影响；(1-3)光纤引线的保护处理：材料外部的光纤留取设定的长度，用于信号的传输，将其套入耐高温特氟龙管对光纤引线进行保护，然后与光纤连接器进行熔接，便于光栅与高速解调仪的连接；步骤二在复合材料中植入光纤Bragg光栅传感器(2-1)将预先裁切好的纤维预浸料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，在铺设过程中，按照要求，在第n层沿着纤维方向铺设应变传感器光栅串，并在其旁边平行铺设温度补偿光栅串；(2-2)将光纤Bragg光栅传感器的引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出；在铺设的过程中应保证特氟龙管进入预浸料铺层10mm；(2-3)盖上预先涂好脱模剂的上模板，闭合模具，置入热压机中，把从模具侧壁框板的引线沟槽中引出的光纤Bragg光栅传感器采用并联与串联相结合的组网方式组成传感器网络，最后将信号传输光纤连接到光纤光栅解调仪上，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，实时监测固化过程中的温度和应变的变化。进一步的，所述的步骤(2-1)在铺设不同方向的温补光栅串时应间隔多层预浸料，并尽量避免不锈钢毛细管的交叉，同时对毛细不锈钢管下方与上方的预浸料进行处理，保证成型后材料的厚度一致。本专利技术的有益效果如下：本专利技术中使用光纤Bragg光栅串对复合材料固化过程中的温度和应变等关键参数进行实时监测。由于温度和应变都能使光纤Bragg光栅反射光谱的中心波长发生改变，因此其对温度和应变同样敏感，所以在复合材料中埋入应变光栅的同时需在其旁边位置铺设同等数量的温度补偿光栅，并保证其完全不受应变影响。因此，本专利技术既可以通过温补光栅将温度和应变对反射光谱波长的影响分离，又可以实时监测复合材料内部各个点的温度变化情况，真正实现了对复合材料结构件内部温度和应变的实时监测。同时，由于光纤的抗剪切性能较差，为了防止光纤从全刚性封闭模具引出时受到剪切力，光纤引线也需要进行适当的保护。同时，光纤光栅解调仪价格昂贵，严重影响了该技术的推广应用，本专利技术采用光纤光栅解调仪内置高功率稳定宽带光源，光纤光栅的中心波长位于宽带光源的边缘，光纤光栅受到温度与应变影响中心波长发生变化时，光电探测器接收的光强发生变化，进而实现温度与应变信号的快速解调。光信号经过光电转换和放大处理后用示波器即可观察所得到的电信号。采样频率可达到1000KHz，具有3nm的波长分辨率。同时大大降低了采集仪的成本。应变光栅串和相应的温度补偿光栅串，应变光栅串受应变和温度变化的双重影响，温度补偿光栅串只监测温度变化从而补偿掉温度对应变光栅串的影响；温补光栅采用毛细钢管进行保护，且钢管两端用耐高温胶体进行密封，且光栅串处于松弛状态；光栅引线用耐高温的特氟龙管进行保护，并且由于特氟龙材料不能与胶体粘结，对特氟龙管进行粗化处理；两种光栅串在铺设时需间隔2-5mm平行铺设，既能防止其相互干扰又能保证两个栅区监测到的温度和应变的变化一致；光纤光栅解调仪内置高功率稳定宽带光源，能实现温度与应变信号的同时快速解调，采样频率可达到1000KHz，波长分辨率为3nm。附图说明图1、图2、图3、图4为本专利技术实施例中光纤布拉格光栅串的预处理以及铺设方式示意图；图5为光纤光栅解调仪工作原理示意图；图6为纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置示意图；图7、图8为解调仪得到的复合材料固化成型过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：包括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，在所述的模腔内逐层铺设有预先裁切好的纤维预浸料；在每一层的纤维预浸料上沿着纤维方向铺设有应变光纤Bragg光栅串，且在应变光纤Bragg光栅串的一侧平行的铺设有与其数量相等的温度补偿光栅串，应变光纤Bragg光栅串的引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，与光纤光栅解调仪相连，对传感器网络所采集的数据进行实时监测。

【技术特征摘要】
1.一种纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：包括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，在所述的模腔内逐层铺设有预先裁切好的纤维预浸料；在每一层的纤维预浸料上沿着纤维方向铺设有应变光纤Bragg光栅串，且在应变光纤Bragg光栅串的一侧平行的铺设有与其数量相等的温度补偿光栅串，应变光纤Bragg光栅串的引线从相应的模具侧壁框板的引线沟槽中引出，与光纤光栅解调仪相连，对传感器网络所采集的数据进行实时监测。2.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：所述的应变光纤Bragg光栅串采用并联与串联相结合的组网方式组成传感器网络，不同波长的光栅串联在一根光纤上形成光栅串，多跟光纤光栅串通过耦合器并联在一起。3.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：所述的应变光纤Bragg光栅串和温度补偿光栅串上涂覆有耐高温复合材料。4.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：所述的温度补偿光栅串的各个栅区上套装在不锈钢毛细管内，两端用GD-4双组份胶进行密封。5.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：所述的温度补偿光栅串整个套装在不锈钢毛细管内，一端用GD-4双组份胶密封，另一端处于自由状态。6.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：位于纤维预浸料外部的光纤套入耐高温特氟龙管内，与光纤连接器进行熔接。7.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：在温补光栅串在沿不同方向进行铺设时，间隔多层预浸料，且不锈钢毛细管不能交叉，同时对毛细不锈钢管下方与上方的预浸料进行处理，保证成型后材料的厚度一致。8.如权利要求1所述的纤维复合材料热模压固化变形光纤监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅解调仪内置高功率稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，耿湘宜，隋青美，贾玉玺，王正方，智杰颖，董琪，王海庆，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37