一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料及其制备方法。该方法将光纤传感技术与防热复合材料制备相结合，通过结构设计、传感器有效封装，提高传感器与防热材料匹配性。所制备的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，较本体防热复合材料的常温拉伸性能保留率不小于80％，热导率性能保留率不小于80％，传感器存活率不小于70％，既实现防热材料热防护作用，又实现防热材料内部应变监控，为防热材料健康监测提供基础数据。为防热材料健康监测提供基础数据。为防热材料健康监测提供基础数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料及其制备方法，属于功能复合材料


技术介绍

[0002]防热材料内部应变的感知监测具有重大意义。比如在防热材料成型过程中监测内应力的释放程度，有助于理解防热材料的固化机理，提升制备工艺；室温下长时监测防热材料的形变，可以揭示防热材料的长时蠕变特性；高温下监测防热材料的裂解应变，对裂解
‑
烧蚀机理的研究提供重要的数据支撑。然而，防热材料的热物理性能参数随温度的变化规律决定了材料内部热传导过程，由于升温过程中发生复杂的热解反应，防热材料的热物性参数很难通过实验方法准确获取。防热材料内部热响应过程监控技术相对匮乏，常规的测试方法和性能表征手段难以实现材料内部热响应参数的实时监控。监测技术的滞后已成为防热材料发展的一个障碍。针对防热材料性能感知的传感器耐温特性、有效封装、与防热材料匹配性研究还存在技术难题。
[0003]随着光纤传感技术的快速发展，光纤传感器的微型化、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀以及可组网等特点凸显。目前，光纤传感技术被广泛地应用于桥梁、铁路、电力设施以及航天器等结构的健康监测。光纤传感器可以根据实际应用的需求，选择恰当的封装材料和合理的封装工艺，植入复合材料内部，在保证封装后的传感器和基体材料的兼容性的同时，提高传感器在各种环境下的生存能力，减小应变传递损耗，提高监测结果准确性和可靠性。目前，基于光纤传感技术的复合材料监测方法，大多仅停留在材料表面粘贴测试，无法应用于防热复合材料的实际监测需求。
[0004]因此，将光纤传感技术与防热复合材料制备相结合，通过结构设计、传感器有效封装，提高传感器与防热材料匹配性，既实现防热材料热防护作用，又实现防热材料内部应变监控，为防热材料健康监测提供基础数据，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料及其制备方法。既保留防热材料热防护作用，又实现防热材料内部应变监控，为防热材料健康监测提供基础数据。
[0006]本专利技术提供的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，包括防热复合材料和封装在所述防热复合材料内部的光纤光栅传感器；
[0007]所述防热复合材料为层合结构的石英/酚醛复合材料；
[0008]所述防热复合材料为由多层石英/酚醛预浸料热压成型而得；
[0009]所述石英/酚醛预浸料中，酚醛树脂的质量分数为40％～50％，挥发分的质量分数为5％～10％。该石英/酚醛预浸料可从各种公开商业途径获得。
型传感器和Ⅱ型传感器接触的上、下层所述石英/酚醛预浸料的表面开槽，使得不锈钢金属毛细管埋在所述石英/酚醛预浸料里，厚度方向上其表面与预浸料齐平，最后在不锈钢金属保护套管的边缘和金属毛细管口使用环氧胶或硅橡胶将其固定在所述石英/酚醛预浸料上，防止酚醛树脂进入不锈钢金属毛细管内；
[0034]2.3)光纤光栅传感器从所述石英/酚醛预浸料中的引出：
[0035]在所述石英/酚醛预浸料外部的金属毛细管、Ⅰ型传感器和Ⅱ型传感器通过PVDF空心管引出，并使所述PVDF空心管的长度大于所述Ⅰ型传感器和Ⅱ型传感器的长度，该管末端对折、密封，远端用纸胶带粘贴，并记录光栅波长；
[0036]3)固化：
[0037]在所述石英/酚醛预浸料的上下表面先铺敷PVDF/玻璃漆布，再铺敷聚酰亚胺薄膜，采用压机或热压罐进行加压固化；
[0038]所述加压固化包括固化I和固化II；
[0039]所述固化I中，温度为80℃～100℃；保温时间为0.5h～2h；
[0040]所述固化II中，温度为120℃～160℃；保温时间为2h～8h；
[0041]固化I和固化II的压力均为0.5MPa～2MPa；
[0042]4)后处理：
[0043]在所述步骤3)固化后，待温度降低到40℃以下，将所得复合材料从压机或热压罐中取出，去除材料表面的所述聚酰亚胺薄膜和PVDF/玻璃漆布，将所述Ⅰ型传感器和Ⅱ型传感器外面的PVDF空心管更换为耐高温保护套管，得到所述基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料。
[0044]上述方法所述步骤1)真空热处理中，温度为70
‑
75℃。
[0045]所述步骤2.1)中，所述光栅保护片为开槽的厚度4mm～8mm的石英/酚醛复合材料本体薄片；开槽的尺寸为直径2mm～4mm，深度为1.5mm～2.5mm。
[0046]所述步骤2.2)中，在光纤铺敷方向上距离所述石英/酚醛预浸料上下开槽位置0.5mm
‑
6mm处包埋所述不锈钢金属毛细管。
[0047]所述步骤3)中，固化I的温度为90℃，保温时间为1h；
[0048]固化II的温度为140
‑
150℃，保温时间为2
‑
4h；
[0049]固化压力为1MPa。
[0050]另外，上述本专利技术提供的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料防热材料健康监测或防热材料热防护或防热材料内部应变监控中的应用，也属于本专利技术的保护范围。
[0051]具体的，所述防热材料内部应变监控包括：
[0052]1)防热材料固化过程中应变的监测；
[0053]2)防热材料高温裂解过程中应变的监测；
[0054]所述高温为具体室温～700℃；
[0055]3)防热材料常温长时应变的监测；
[0056]所述长时具体为不小于25天。
[0057]本专利技术将光纤传感技术与防热复合材料制备相结合，通过结构设计、传感器有效封装，提高传感器与防热材料匹配性。所制备的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，较本体防热复合材料的常温拉伸性能保留率不小于80％，热导率性能保留率不小于
80％，传感器存活率不小于70％，既实现防热材料热防护作用，又实现防热材料内部应变监控，为防热材料健康监测提供基础数据，具有重要的应用价值。
附图说明
[0058]图1为光纤光栅传感器在预浸料层间的封装结构示意图，
①
为Ⅰ型传感器，
②
为Ⅱ型传感器，
③Ⅰ
型、Ⅱ型传感器内的光栅，
④
光栅保护片，
⑤
预处理后的预浸料，
⑥
金属毛细管，
⑦
PVDF空心管；
[0059]图2为基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料平板固化过程中应变的监测图；
[0060]图3为基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料平板裂解过程中应变的监测图；
[0061]图4为基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料曲面常温长时各测点应变趋势图，其中CH1为凸面中心点、CH2为凸面边缘点、CH3为凹面中心点、CH4为凹面边缘点。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，包括防热复合材料和封装在所述防热复合材料内部的光纤光栅传感器；所述防热复合材料为层合结构的石英/酚醛复合材料；所述防热复合材料为由多层石英/酚醛预浸料热压成型而得；所述石英/酚醛预浸料中，酚醛树脂的质量分数为40％～50％，挥发分的质量分数为5％～10％。2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，其特征在于：所述石英/酚醛预浸料中，酚醛树脂的质量分数为45％，挥发分的质量分数为7
‑
9％；所述光纤光栅传感器中，通过光栅反射波长的变化能够感知应变和温度；所述光纤光栅传感器为基于飞秒激光刻写的耐高温光纤光栅传感器；所述光纤光栅传感器由Ⅰ型传感器和II型传感器组成；所述Ⅰ型传感器为使用裸光栅的应变
‑
温度传感器；所述II型传感器为使用金属毛细管悬空封装光栅的温度传感器；所述金属毛细管的长度大于光栅的长度；所述光栅区的长度不小于10mm，反射率不小于70％，反射谱3dB带宽不大于0.2mm，中心波长范围为1530nm～1570nm；两光栅的间距为5mm。3.根据权利要求1或2所述的基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料，其特征在于：所述基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料中，本体防热复合材料的常温拉伸性能保留率不小于80％，热导率性能保留率不小于80％，传感器存活率不小于70％。4.一种制备权利要求1
‑
3任一所述基于光纤传感技术的应变感知防热复合材料的方法，包括如下步骤：1)石英/酚醛预浸料预处理：对所述多层石英/酚醛预浸料进行真空热处理；所述真空热处理中，温度为60℃～80℃，真空度不小于0.05MPa，保温时间为2～6h；2)光纤光栅传感器在所述石英/酚醛预浸料层间的封装，包括如下步骤2.1)至2.3)：2.1)光栅的保护和固定：Ⅰ型传感器采用方法一或方法二进行光栅的保护和固定；Ⅱ型传感器采用方法三进行光栅的保护和固定；所述方法一包括：先将Ⅰ型传感器埋在所述石英/酚醛预浸料层间，再将光栅两端拉直，在光栅两端使用环氧胶或硅橡胶将光栅固定在所述石英/酚醛预浸料上；所述方法二包括：先制备光栅保护片；再将光栅埋在所述光栅保护片的凹槽内，在光栅两端使用环氧胶或硅橡胶固定在所述光栅保护片上，根据所述光栅保护片的尺寸在所述石英/酚醛预浸料上开槽，将所述光栅保护片填充在所述石英/酚醛预浸料凹槽中，使所述石英/酚醛预浸料表面平整；所述方法三包括：将所述II型传感器的金属毛细管使用环氧胶或硅橡胶固定在所述光栅保护片或所述石英/酚醛预浸料中，并使所述Ⅱ型传感器的光栅与Ⅰ型传感器的光栅的间距不大于5mm；2.2)所述石英/酚醛预浸料边缘处光纤光栅传感器的保护：
先在所述Ⅰ型传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜雪，孔磊，王筠，王伟，孙福瑞，马壮，赵森，蒋丽琴，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：