一种高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能光纤内置式智能复合材料及其制备方法
本专利技术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。
技术介绍
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CN102809790B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。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术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.本专利技术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，提升光纤与复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正方，田长彬，王静，隋青美，贾磊，曹玉强，李姝凡，李亦佳，韩明娟，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37