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制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Fabrication process of glass fiber / epoxy resin based fiber optic grating sensor

The invention discloses a glass fiber / epoxy resin composite base type fiber grating sensor manufacturing process, including: glass fiber / epoxy resin prepreg pre curing, the preparation steps of glass fiber / epoxy composite substrate; the fiber grating is fixed on the steps of the glass fiber / epoxy resin composite substrate the fixed; and in fiber grating of glass fiber / epoxy resin composite material above the substrate covered with dry glass fiber cloth, vacuum assisted pouring liquid epoxy resin, curing the two steps. The manufacturing process of the invention adopts two curing in the packaging process, improves the interfacial strength between layers, thus improving the optical fiber grating sensor measurement accuracy and stability, can realize the mass production of optical fiber grating sensors, has a broad market prospect and huge economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种玻璃纤维/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。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术采用下述技术方案：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。本专利技术对玻璃纤维/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。本专利技术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。本专利技术采用二次固化工艺，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾玉玺，王庆林，高琳琳，张晨，郭云力，姜明顺，王海庆，智杰颖，赵亚如，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37