碳纖維復(fù)合材料封裝光纖Bragg光柵

田高潔 ，李 川 ， 由 靜 ，張 晨

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650051；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞性能和尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，近幾年已廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)中，起加固的作用。

光纖傳感器有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾、電絕緣性好、無(wú)火花、耐高溫、抗腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣等等。另外，光纖本身纖柔輕細(xì)，光纖傳感器體積小、重量輕、幾何形狀可塑，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損埋設(shè)，與待測(cè)材料有著良好的相容性，并且可以以網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)，極大提高安全監(jiān)測(cè)的有效性。

結(jié)合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以制成先進(jìn)的光纖智能結(jié)構(gòu)／智能蒙皮。在以往的智能結(jié)構(gòu)中采用點(diǎn)式傳感器，收集和處理這些數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，因此人們致力于分布式光纖傳感器的研究。分布式光纖傳感器是指用一根光纖敷設(shè)于待測(cè)場(chǎng)，待測(cè)量(如溫度、壓力等)會(huì)對(duì)光纖中傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，將有關(guān)信息調(diào)制在光纖中傳輸，通過(guò)解調(diào)即可獲知光纖周?chē)我稽c(diǎn)的待測(cè)量的情況。但待測(cè)物有時(shí)熱脹冷縮較大，有時(shí)變形較大，使光纖承受較大作用，所以將碳纖維復(fù)合材料與光纖結(jié)合，既能起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用，又能隨時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)物體。

1 碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)特性

碳纖維復(fù)合材料是通過(guò)氧化有機(jī)聚合物（通常是聚丙烯硝胺纖維或乳化瀝青），只留下碳素材料，其碳原子沿原有纖維長(zhǎng)度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲由3 000～12 000個(gè)碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細(xì)僅相當(dāng)于人的1根頭發(fā)絲。

碳纖維成品可以制成不同的型材，如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中，應(yīng)用量最大和最普通的還是碳纖維布（片材）。

圖1 碳纖維復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)受力Fig.1 Microstructural force analysis of CFRP

圖1為碳纖維復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)受力分布圖。δ1，δ2，δ3分別代表三個(gè)垂直方向上的正應(yīng)力，τ12表示在垂直δ1面上與方向2同向的剪力，τ13，τ23以相同的方式被定義。另外，ε1表示δ1作用在方向1上產(chǎn)生的應(yīng)變，同理定義 ε2，ε3。 γ12為剪力 τ12在 1-2平面上引起的角應(yīng)變。

根據(jù)虎克定律可得：

其中 E1，E2，E3，G23，G13，G12為彈性模量和剪切模量，其值由廠家提供。然而在纖維方向上的楊氏模量E1是在方向2和方向3的楊氏模量E2，E3的十多倍?？梢?jiàn)1方向上的不易變形程度遠(yuǎn)大于2，3方向，即纖維方向上的加固特性更為優(yōu)越。

對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題，這時(shí)有：

可得：

由式（3）可通過(guò)應(yīng)力計(jì)算出相應(yīng)碳纖維各個(gè)方向上的應(yīng)變大小。

2 碳纖維復(fù)合材料封裝光纖Bragg光柵

利用碳纖維復(fù)合材料封裝光纖Bragg光柵是一種集結(jié)構(gòu)保護(hù)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)于一體的傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)檢測(cè)光的波長(zhǎng)變化來(lái)測(cè)量碳纖維復(fù)合材料所受應(yīng)力的變化。其封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 碳纖維材料封裝Bragg光柵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the fiber Bragg grating packaged by CFRP

光纖Bragg光柵沿碳纖維方向粘貼于碳纖維復(fù)合材料的中心位置，并用裁剪好的頂層碳纖維復(fù)合材料將光纖Bragg光柵完全覆蓋進(jìn)行保護(hù)封裝，粘貼時(shí)頂層碳纖維復(fù)合材料的纖維方向保持與碳纖維方向一致。其中，光纖Bragg光柵直徑為125 mm，在裸纖外表面涂覆一層均勻的保護(hù)材料構(gòu)成直徑為250 mm的一次涂覆光纖，在涂覆光纖的外部再緊緊包裹一層橡膠護(hù)套即為緊套光纖，三者之間緊密相連不能移動(dòng)。然后將緊套光纖從橡膠導(dǎo)管制成的護(hù)套中穿出，在將整個(gè)結(jié)構(gòu)粘貼于碳纖維材料時(shí)，利用環(huán)氧樹(shù)脂填充因光纖、緊套光纖和護(hù)套等結(jié)構(gòu)外徑不一所帶來(lái)的空隙，并且向護(hù)套中灌注膠體，減小與緊套光纖的可移動(dòng)性，達(dá)到更為有效地保護(hù)光纖的目的。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料因應(yīng)力發(fā)生形變時(shí)，粘貼在其上的光纖Bragg光柵隨之產(chǎn)生應(yīng)變響應(yīng)。此方案既能加固被測(cè)結(jié)構(gòu)體，又能監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化，形成了集加固與監(jiān)測(cè)功能于一體的智能結(jié)構(gòu)。

3 光纖Bragg光柵埋入碳纖維復(fù)合材料中的界面?zhèn)鬟f特性分析

應(yīng)變對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)的影響分為軸向和橫向。光纖Bragg光柵在受到拉升或壓縮時(shí)，其軸向和橫向同時(shí)有應(yīng)變產(chǎn)生。由于光纖光柵對(duì)縱向應(yīng)力較橫向應(yīng)力更為敏感，而且在軸向應(yīng)力δ1的作用下，ε1／ε2=1／-v12=-62.5，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略垂直于軸向的應(yīng)變?chǔ)?對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)位移產(chǎn)生的影響。均勻軸向應(yīng)變引起的波長(zhǎng)移位縱向應(yīng)變靈敏度公式為：

其中pe為有效彈-光系數(shù)，ε1為軸向應(yīng)變量。

當(dāng)碳纖維復(fù)合材料僅在軸向應(yīng)力δ1的作用下，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)變響應(yīng)由式（3）簡(jiǎn)化為：

光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)位移-應(yīng)力關(guān)系為：

由此可以得出，光纖Bragg光柵的Bragg波長(zhǎng)移位與外加縱向應(yīng)力的傳感靈敏度為6.68 pm／MPa。光纖Bragg光柵解調(diào)儀的波長(zhǎng)分辨率為1 pm時(shí)，傳感器的理論分辨率為0.2 MPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）在使用碳纖維復(fù)合材料的同時(shí)埋入光纖，既可以起到加固的作用，又可以進(jìn)行測(cè)量，減小對(duì)其結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）光纖Bragg光柵傳感器直埋CFRP的聚合物基體中，由于不存在粘貼層的界面的影響，應(yīng)變測(cè)量值無(wú)需修正。CFRP層的性能越穩(wěn)定、界面粘接效果越好，光纖Bragg光柵傳感器的對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)越穩(wěn)定，誤差越小。

（3）光纖Bragg光柵傳感器的相對(duì)波長(zhǎng)與應(yīng)變具有很好的線性關(guān)系，通過(guò)監(jiān)測(cè)相對(duì)波長(zhǎng)的變化，可以準(zhǔn)確地表征結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)。

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