復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化監(jiān)測(cè)研究

滕 敏 ，馬 李 ，趙先銳

（1.哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150088；2.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化監(jiān)測(cè)研究

滕 敏1，馬 李2，趙先銳2

（1.哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150088；2.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

使用纏繞方法制作復(fù)合材料層板，將光纖布拉格光柵傳感器埋入到纏繞復(fù)合材料層板中、鋁板和纏繞復(fù)合材料板之間，監(jiān)測(cè)整個(gè)固化歷程，包括固化過(guò)程的溫度變化，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程的應(yīng)變變化，比較不同部位的差異。結(jié)果表明：由于熱力學(xué)性能不同，復(fù)合材料內(nèi)部與界面之間在固化過(guò)程中存在著差異，使得兩種不同的材料在固化后期存在分離現(xiàn)象，并釋放了一部分應(yīng)力。

復(fù)合材料；光纖傳感技術(shù)；固化

1 引言

復(fù)合材料通常與金屬材料一同使用，來(lái)彌補(bǔ)復(fù)合材料不密封、纖維不能承受壓力的缺點(diǎn)，例如，復(fù)合材料導(dǎo)彈彈翼中需要加入鈦合金骨架，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料蒙皮和鋁蜂窩，金屬內(nèi)襯纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器等［1-3］。但是，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是各向異性材料，金屬材料為各向同性材料，兩者在固化過(guò)程中將產(chǎn)生復(fù)雜的溫度場(chǎng)，出現(xiàn)不均勻的溫度分布，從而產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力和熱變形，影響兩者膠接在一起的強(qiáng)度。如果兩者在固化過(guò)程中不能很好地膠接在一起，在使用過(guò)程中必然造成金屬和復(fù)合材料的分離，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)失效［4-6］。因此，有必要了解金屬和復(fù)合材料界面的固化過(guò)程、載荷作用下的協(xié)調(diào)變形情況，為復(fù)合材料和金屬共同安全服役提供更加可靠的依據(jù)。光纖光柵傳感器由于具有可埋入的優(yōu)點(diǎn)，為界面處的監(jiān)測(cè)提供了一種可能的手段。

本文使用纏繞方法制作復(fù)合材料層板，將光纖布拉格光柵傳感器埋入到纏繞復(fù)合材料層板中、鋁板和纏繞復(fù)合材料板之間，監(jiān)測(cè)整個(gè)固化歷程，包括固化過(guò)程的溫度變化，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程的應(yīng)變變化，比較不同部位的差異。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 鋁板的處理

裁剪300 mm×300 mm的鋁板，鋁板厚度1 mm，為保證鋁板的平整度，剪切時(shí)使用專(zhuān)用的切割機(jī)。先用水去除表面的泥污，然后放入烤箱在60℃的溫度下干燥30 min。取出后用細(xì)砂紙打磨粗化，使用濃度99.5%的丙酮溶液擦洗除脂，再放入烤箱中在60℃的溫度下干燥30 min。取出后在表面擦酸液酸蝕，酸蝕法可以使鋁板表面形成新的氧化膜，如同其他非貴金屬一樣，表面氧化膜可以使樹(shù)脂與之產(chǎn)生有效粘接，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。酸液配制為濃硫酸∶重鉻酸鉀∶水=1∶10∶30，等待10 min后用65℃清水沖洗干凈，再放入烤箱中60℃干燥30 min。再次取出鋁板后，表面涂抹按一定配比調(diào)制的環(huán)氧樹(shù)脂。

2.2 復(fù)合材料層板制備

制作的復(fù)合材料單向板使用碳纖維T800，2股紗，每層0.125 mm，在無(wú)極變速纏繞機(jī)上纏繞而成。模具經(jīng)過(guò)處理后在上面刷脫模劑，然后安裝在纏繞機(jī)上，一次纏繞可以制作兩塊板。纏繞過(guò)程中使用螺旋測(cè)微器測(cè)量板的厚度，當(dāng)厚度達(dá)到1 mm時(shí)（約8層纖維），平行纖維方向和垂直纖維方向分別布置FBG應(yīng)變傳感器。由于FBG傳感器對(duì)溫度和應(yīng)變都敏感，采用參考光柵法進(jìn)行解耦，所埋置的參考光柵是用0.7 mm粗的針管封裝的FBG傳感器，此裝置作為溫度傳感器。FBG應(yīng)變傳感器和FBG溫度傳感器布設(shè)位置如圖1所示。

2.3 光纖固化與監(jiān)測(cè)

放置完傳感器后，繼續(xù)纏繞，當(dāng)厚度達(dá)到2 mm時(shí)（15層纖維），纏繞結(jié)束，再放置2個(gè)FBG應(yīng)變傳感器，方向分別為平行纖維方向和垂直纖維方。光纖出口的保護(hù)采用聚酰亞胺F46薄膜。將寬度10 mm的聚酰亞胺F46薄膜，裁減100 mm長(zhǎng)的兩片，把光纖傳感器作為入出口的部分放在兩片薄膜的中間。加熱棒通電加熱達(dá)到350℃時(shí)，開(kāi)始對(duì)薄膜進(jìn)行加熱30 s。傳感器與薄膜成為一體后，按設(shè)計(jì)布置在纏繞纖維上，然后在其上面放置鋁板，加上模具蓋板后用螺栓擰緊。模具另一側(cè)的復(fù)合材料板不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直接加模具蓋板。最后把整個(gè)模具從纏繞機(jī)上卸下，放置到烤箱中準(zhǔn)備加熱。

固化工藝為：升溫速率為2℃/min，溫度達(dá)到80℃時(shí)保溫2 h，繼續(xù)升溫到120℃保溫2 h，關(guān)閉烤箱自然降溫。固化過(guò)程中不需要施加壓力。

圖1 光纖光柵傳感器的布置示意圖Fig.1 Sketch map of laying FBG sensors

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

圖2顯示了FBG測(cè)量溫度的結(jié)果，光柵測(cè)量的結(jié)果低于烤箱的設(shè)置溫度，這是由于烤箱自身的熱電偶處于烤箱的溫度中，光柵溫度傳感器位于材料內(nèi)部，熱電偶先達(dá)到溫度設(shè)定值，使烤箱停止加熱；此時(shí)熱量還沒(méi)有完全傳遞到材料內(nèi)部，因此光柵的測(cè)量溫度值比預(yù)設(shè)值小10℃左右。

從溫度監(jiān)測(cè)曲線可以看出，經(jīng)過(guò)封裝后的光纖光柵能夠作為溫度傳感器，測(cè)量出復(fù)合材料固化過(guò)程中材料內(nèi)部的溫度歷程，由于烤箱中的熱電偶先達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，使光柵測(cè)量到的值小于工藝過(guò)程的溫度。

圖2 光柵溫度傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Monitored result of FBG temperature sensor

3.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

3.2.1 升溫階段

圖3顯示了升溫過(guò)程中兩個(gè)不同位置的光纖光柵傳感器測(cè)量到的應(yīng)變情況。初始階段，復(fù)合材料內(nèi)部、復(fù)合材料和鋁板界面之間的應(yīng)變都在下降。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，復(fù)合材料內(nèi)部、界面處的應(yīng)變均發(fā)生轉(zhuǎn)折，界面處應(yīng)變非線性逐漸增加，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)變依然繼續(xù)下降。界面處的應(yīng)變?cè)谏郎丶磳⒔Y(jié)束時(shí)趨于平緩，而復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)變經(jīng)過(guò)不長(zhǎng)時(shí)間就轉(zhuǎn)為平緩，一直保持到升溫結(jié)束。處于不同位置的兩個(gè)光纖光柵測(cè)量到了兩種不同的情況。

升溫初期，兩個(gè)光柵測(cè)量到的應(yīng)變均為負(fù)值，說(shuō)明光柵放入材料中后，由于安裝模具蓋板時(shí)使用螺絲擰緊，蓋板給增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂施加了壓力，增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂帶動(dòng)光柵產(chǎn)生了拉應(yīng)變。測(cè)量時(shí)，把這時(shí)的波長(zhǎng)作為初始值。當(dāng)溫度不斷升高，樹(shù)脂的粘稠度逐漸下降，不能再束縛住光柵的應(yīng)變，光柵的應(yīng)變有下降的趨勢(shì)。升溫一個(gè)多小時(shí)后，兩個(gè)光柵的測(cè)量值都產(chǎn)生了拐點(diǎn)，界面處的應(yīng)變?cè)?20 με時(shí)有上升的趨勢(shì)，光柵開(kāi)始測(cè)量到拉應(yīng)變。這是由于溫度不斷的升高，鋁的熱膨脹系數(shù)大，熱膨脹快，鋁板膨脹，帶動(dòng)與之相連的光柵產(chǎn)生正應(yīng)變。材料內(nèi)部的應(yīng)變卻迅速的下降，當(dāng)應(yīng)變到達(dá)-47 με時(shí)，應(yīng)變開(kāi)始保持平穩(wěn)，不再變化。這是由于金屬模具的膨脹系數(shù)大，升溫膨脹后使內(nèi)部的材料處于受壓狀態(tài)，材料體積被壓縮，使光柵產(chǎn)生了壓應(yīng)變。

圖3 升溫過(guò)程應(yīng)變監(jiān)測(cè)Fig.3 Monitored strain during temperature rise

3.2.2 降溫階段

降溫采取自然降溫。圖4顯示了降溫過(guò)程中兩個(gè)不同位置光柵的測(cè)量結(jié)果。降溫時(shí)，兩個(gè)光柵測(cè)量到的應(yīng)變都開(kāi)始下降。界面處的應(yīng)變下降得比較劇烈，在趨于平緩的時(shí)候應(yīng)變產(chǎn)生了一個(gè)跳躍。復(fù)合材料內(nèi)部的光柵先下降，而后有所增加，在一個(gè)拐點(diǎn)處又開(kāi)始下降。

圖4 降溫過(guò)程應(yīng)變監(jiān)測(cè)Fig.4 Monitored strain during temperature fall

降溫時(shí)，界面處的光柵下降得比較快，因?yàn)殇X板的熱膨脹系數(shù)大，降溫時(shí)收縮得快，帶動(dòng)光柵的應(yīng)變迅速降低，而后趨于平緩。固化10h左右時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生了跳躍，約6με。這是由于復(fù)合材料和鋁板的熱膨脹系數(shù)不同，鋁板收縮過(guò)快，兩者發(fā)生了分離，因而界面間的應(yīng)力有所釋放。復(fù)合材料內(nèi)部的光柵也由于溫度下降應(yīng)變有所降低，但比較緩慢，而后趨于平緩。

埋入FBG傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纏繞單向板的固化過(guò)程，以及復(fù)合材料和鋁板之間界面的固化應(yīng)變。FBG傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，復(fù)合材料內(nèi)部與界面之間在固化過(guò)程中存在著差異；兩種不同的材料在固化后期存在著分離的現(xiàn)象，釋放了一部分應(yīng)力。

3.3 復(fù)合材料與鋁板協(xié)調(diào)變形監(jiān)測(cè)

圖5給出復(fù)合材料層板在高溫環(huán)境下不同層面的應(yīng)變情況。可以看出，光纖光柵監(jiān)測(cè)到了溫度變化范圍從室溫到100℃，然后恢復(fù)到室溫整個(gè)過(guò)程粘接試件的應(yīng)變變化。升溫階段，鋁板最初的應(yīng)變?yōu)檎龖?yīng)變，復(fù)合材料的應(yīng)變?yōu)樨?fù)應(yīng)變，層間的應(yīng)變也為正應(yīng)變，但受到復(fù)合材料的束縛，因此應(yīng)變小于鋁板。溫度持續(xù)上升，鋁板和層間應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng)，在70℃時(shí)復(fù)合材料的應(yīng)變出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，開(kāi)始逐漸增長(zhǎng)。溫度達(dá)到80℃時(shí)進(jìn)行了一下保溫處理，使烘干箱內(nèi)的溫度進(jìn)一步穩(wěn)定，此時(shí)各處的應(yīng)變也也保持了一個(gè)平衡水平。溫度繼續(xù)升高，各處的應(yīng)變也在增長(zhǎng)。當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，關(guān)閉加熱器。此時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)變繼續(xù)增加，鋁板、層間的應(yīng)變開(kāi)始下降。恢復(fù)到室溫時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)變?yōu)檎担X板的應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，層間的應(yīng)變也為負(fù)值，但相對(duì)較小。

復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均很小，鋁板的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均很高，因此升溫的初始階段鋁板的溫度會(huì)高于復(fù)合材料，其變形也大于復(fù)合材料。隨著溫度的不斷升高，整個(gè)試件開(kāi)始向復(fù)合材料方向彎曲，因此，復(fù)合材料的負(fù)應(yīng)變是由于受到鋁板變形的影響。隨著溫度的上升，復(fù)合材料的溫度也逐漸提高，在70℃時(shí)，鋁板的變形開(kāi)始變緩，而復(fù)合材料的應(yīng)變出現(xiàn)了拐點(diǎn)。出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因：一是復(fù)合材料的熱應(yīng)變超過(guò)了鋁板的影響；二是復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)發(fā)生了變化；三是在此溫度下膠粘劑的性能變化大，熱膨脹系數(shù)變大，不能被忽略。在100℃時(shí)鋁板、層間的應(yīng)變達(dá)到最大值。降溫時(shí)，鋁板的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)大，因此應(yīng)變開(kāi)始減小，試件逐漸向鋁板方向彎曲，帶動(dòng)復(fù)合材料的應(yīng)變繼續(xù)增加。這種變化一直持續(xù)到烘干箱內(nèi)溫度到達(dá)室溫［7］。在室溫時(shí)，試件沒(méi)有恢復(fù)到原始的狀態(tài)，而是向鋁板彎曲，這是由于溫度變化改變了膠粘劑的性能，鋁板和復(fù)合材料之間的熱不匹配產(chǎn)生了熱應(yīng)力，熱應(yīng)力存儲(chǔ)于不可恢復(fù)的膠粘劑之間。

圖5 第一次溫度變化時(shí)不同層面的應(yīng)變Fig.5 Strains at different layer for the first time

圖6給出了復(fù)合材料層板在低溫環(huán)境下不同層面的應(yīng)變情況。從圖中可以看出，試件遭遇低溫后，迅速產(chǎn)生變形。鋁板的應(yīng)變最大，復(fù)合材料的應(yīng)變最小，層間應(yīng)變介于兩者之間。液氮快速揮發(fā)完之后，溫度升高，三個(gè)層面的變形也開(kāi)始恢復(fù)，并逐漸回到初始狀態(tài)。

從以上的過(guò)程可以分析出，粘接試件的溫度降低后，鋁板的熱膨脹系數(shù)大，從室溫環(huán)境降到低溫后，其體積迅速收縮，產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變；復(fù)合材料也與此類(lèi)似，但其熱膨脹系數(shù)小于鋁板，因此其應(yīng)變變化沒(méi)有鋁板的大，但是復(fù)合材料總的應(yīng)變值保持為負(fù)值，說(shuō)明鋁板對(duì)其影響小于環(huán)境的影響。兩種材料之間的應(yīng)變受鋁板的影響多些，因鋁板相對(duì)復(fù)合材料要薄一些，應(yīng)變值與鋁板相接近，但小于鋁板的應(yīng)變。

圖6 低溫環(huán)境下不同層面的應(yīng)變Fig.6 Strains at different layer in low temperature

4 結(jié)論

（1）基于光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)了復(fù)合材料和鋁板的共固化過(guò)程，受溫度載荷下的變形過(guò)程，為兩種不同材料共同使用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）埋入FBG傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了纏繞單向板的固化過(guò)程，以及復(fù)合材料和鋁板之間界面的固化應(yīng)變。FBG傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，復(fù)合材料內(nèi)部與界面之間在固化過(guò)程中存在著差異，這是由于兩者的熱力學(xué)性能不同而引起的；兩種不同的材料在固化后期存在著分離的現(xiàn)象，釋放了一部分應(yīng)力。

（3）溫度的變化使得熱膨脹系數(shù)不同的復(fù)合材料層板和鋁板出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形，但由于鋁板相對(duì)復(fù)合材料要薄一些，界面應(yīng)變值與鋁板相接近，兩種材料之間的應(yīng)變受鋁板的影響多些。

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Study on Cure Monitoring of Composites Structure

TENG Min1,MA Li2,ZHAO Xian-rui2
(1.Harbin Air Conditioning CO.,LTD,Harbin 150088,China;2.School of Physics and Electronics Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,China)

The composite plate was prepared by filament wound method,and then the experimental data was provided for different materials in common use by FBG sensor-based monitoring common cure of composites and aluminum plate and deformation process under temperature load.FBG sensors were embedded to monitor the cure of filament wound unidirectional laminate and the strain between composite and aluminum plate. The results show that there exist differences between the inner of composite and the interface of composite-aluminum plate during the curing course due to their different thermodynamic properties, accordingly, the two different materials will be detached during the final curing process and release certain stress.

composite material;fiber optic sensing technology;cure

周小莉）

TB12

A

1672-3708（2011）06-0026-06

2011-10-07；

2011-11-12

滕敏（1972-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，工程師，主要從事工業(yè)產(chǎn)品工藝研究。