使用一个光导纤维光栅传感器的复合结构树脂固化的监控制造技术

一种复合结构树脂固化的监控器件，包括： 一根其中埋置了一个光栅传感器的光学纤维以及邻近所述传感器设置的缓冲装置，用来使所述传感器探测出最小树脂粘度和该树脂的凝胶点，并使所述传感器隔绝来自该复合结构其他部分的干扰应力的缓冲装置。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固化过程的监控且更具体地涉及使用光学纤维光栅以完成这种控制。
技术介绍
已知在复合结构领域中复合层状结构可以通过包括压模和树脂转移模塑的常规技术来成形。对于压模，由使用环氧树脂浸渍的石墨细丝组成的层被堆叠成预定厚度，使每个这样的层具有一个预定的纤维取向。所得的被堆叠成的预制结构称为一个“叠层”。该叠层被放入一个具有内置预成形模具的热压机中，并在经过一个预定温度及压力随时间分布的过程中将这些层压在一起并且压实。该分布通常包括在向叠层施加压力的同时升高温度直至树脂开始固化(或硬化)。在该部件达到完全固化的温度和时间后将其冷却。作为已知的树脂转移模塑的一个类型，细丝被编织在一起以形成一种具有所需的细丝叠层取向的“预制件”结构，并将预制件放进一个模具中。然后热树脂被注射到模具中并在细丝间流动以达到贯穿该结构的均匀树脂浸润。下一步使用一个适合的温度及压力的分布过程加热该模具以固化树脂，然后将其冷却。在生产这种复合结构的工艺中遇到的一个问题是结构可能具有一个变化的厚度但是整个结构却受一个相同温度分布的固化过程的作用。对于复杂的几何部件，较薄区域可能在较厚区域之前固化(硬化)。在这种情形下，可产生不均匀的内部残留应力，可能损害部件的结构完整性。还有，在较厚区域中，外层可能在中间层固化之前固化。那么如果中间层放出气体(即在固化过程中释放出气体)，气泡容易渗透过未固化的层并被截留在已固化的外层之下。这些被截留的气泡可能在叠层结构中气泡聚集的区域上产生弱点，由此减弱了该结构并可能导致过早脱层。当没有设计出温度分布图以致薄区域和厚区域两者都不均匀地固化时这些问题就发生了。然而，如果在固化过程中能够监控在复合结构内部的贯穿厚度的温度分布以及树脂粘度，那么温度分布可相应地变化以便让复合结构的薄的和厚的部分两者都更加均匀地固化，由此得到贯穿整个结构的更均匀固化。因此，为了优化复杂部件的复合材料固化过程，需要传感器以测量在压实过程中材料的变化。通常用于测定固化过程信息的两种现有技术方法是超声测量和流变学测量。已知的超声测量装置包括一个被安装在结构一侧的超声波振子，用来产生贯穿结构厚度的声波，以及一个位于结构另一侧的超声波接受器，用来接受这些声波。贯穿结构的声波速度与传播波的结构内部树脂的粘度直接相关。当声速显著提高时，已经发生了快速交联(或硬化或凝胶化)。然而，这种技术只是测量声波发送器和接受器所跨体积内的平均粘度，并因此不能提供一个贯穿结构厚度的分布测量。已知技术中的另一方法是流变测量。在那种情况下，通过施加扭力以测定作为温度函数的粘度特征来分析将要固化的部分材料。然而这种方法是脱机地，而不是在结构的固化过程中进行的并因此不是一个实时的测量方法。还有，在脱机表征与材料的实际固化之间的时间间隔可能在被表征的材料与正在固化的材料之间产生迟滞的差异(aging differences)。本专利技术的描述本专利技术的目的包括提供复合结构树脂固化的监控以优化固化的时间、温度、压力和化学变化。按照本专利技术，复合结构树脂固化的监控装置包括一根具有一个被埋置其中的光栅传感器的光学纤维；以及邻近传感器排列的缓冲装置，用来使传感器探测出最小树脂粘度和树脂凝胶点并使传感器隔绝来自复合结构其他部分的干扰应力。进一步按照本专利技术，缓冲装置包括预定数目的层，每一个层包含基本上相互完全平行取向的增强缓冲细丝。更进一步按照本专利技术，增强缓冲细丝与光学纤维的经线轴基本上垂直取向。由于发现纤维光栅传感器可按如此方式埋置在结构层的内部以致当树脂达到最小粘度以及当发生快速树脂交联(或凝胶化或硬化)时能够进行测量，以及更具体地发现纤维传感器必须被最小厚度的缓冲区所包围使得光栅传感器能够对最小树脂粘度和树脂凝胶点(即快速交联速率的开始)表现出最高的灵敏度，还同时使传感器隔绝来自缓冲区以外区域任意角度细丝的干扰应力，本专利技术相对于现有技术有明显改进。测量最小树脂粘度和凝胶点是重要的，因为为了施加压力使树脂均匀地围绕增强细丝，人们必须知道何时树脂粘度最低。还有，人们必须在发生这种凝胶之前施加这种压力。更进一步，光学纤维光栅传感器具有许多使它们特别适合复合材料与结构的固化过程监控的特点。例如，它们具有小的直径(外径小于150微米)，它们具有小的标距(准点式(guasi-point)传感器)，它们对高温(大于400℃)稳定，它们与环氧树脂粘结很好，它们可以倍增以得到沿着单一纤维分布而使用单一的输入/输出接点的许多传感器，以及它们足够结实和耐久(即良好的断裂伸长率以及抗拉强度)，使其具有超过大多数复合结构应用所要求的疲劳寿命和测试范围。更进一步，纤维光栅传感器可在组合未压实叠层时方便地安装在复合部件内。传感器可以以这种方式排列在结构内的许多位置上来进行分布测量。按照以下如在附图中描述的典型实施方案的详细描述，本专利技术上述的及其他的目的、特点和优点将变得更加明显。附图的简要说明附图说明图1为显示按照本专利技术包围一个纤维布拉格光栅传感器的多个层的复合结构透视图。图2为图1复合结构的单个层的侧视图显示按照本专利技术增强细丝。图3为按照本专利技术对于一个偏离相邻增强细丝方向90°取向的布拉格光栅传感器的温度及传感器反射波长相对时间的图。图4为按照本专利技术图3传感器反射波长的放大图。图5为证实按照本专利技术图3结果的流变粘度相对时间的图。图6为证实按照本专利技术图3结果的声速相对时间的图。图7为按照本专利技术对于一个与相邻增强细丝取向相同的布拉格光栅传感器的波长及温度相对时间的图。图8为按照本专利技术对于包围传感器的不同厚度的缓冲区的传感器反射波长的变化相对时间的一组曲线。实施本专利技术的最佳方式参照图1，一个用于监控复合结构树脂固化的被埋置的光学纤维传感器包括多个区域10，12，14，16(下文中讨论)以及一根被埋置在区域12与14之间的光学纤维。纤维20包括具有一个掺杂锌基的石英芯(germanai adoped silica core)的典型通讯用单个空间型纤维，位于总外径(芯和包覆层)为大约125微米的包覆层内的直径为大约6微米。如果需要，可以使用其他的纤维组成，尺寸及模式。还有，如果需要，可以使用有或没有外壳或缓冲层的纤维。纤维20的芯具有至少一个压在其中的反射元件28，如布拉格光栅，与都授权给Meltz等的称为“分布的，空间分辨的光学纤维应变仪”的美国专利№4806012以及称为“分布的，空间分辨的光学纤维应变仪”的美国专利№4761037中所讨论的相似。纤维20内的光栅28也被称之为纤维光栅“传感器”。该光栅传感器28的长度(或标距)为大约1至10mm，使其几乎为一个点型(point-type)传感器(即准点式传感器)。如果需要可以使用其他的长度。区域10-16中的每个包括多个层30(用在压模过程中)。层30中的每一个层包括以预定方向被埋置在层30中的由石墨制成的圆柱形增强细丝32。层30中给定一层内的细丝32基本上相互平行。在细丝32之间和周围是一种已知的聚合物基质34，如工业中已知的热固性环氧树脂。如果需要，其他材料可以用作细丝32，而且其他热固性聚合物基质材料可以用于其之间的区域34。例如细丝32可由玻璃、尼龙、织物、KEVLAR(聚合物细丝)或其他材料制成。还有，层30中的一层或多层可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·R·邓菲，罗伯特·M·鲁库斯，河宗旻，
申请(专利权)人：联合技术公司，
类型：发明
国别省市：