固化膠粘劑對光纖環(huán)溫度性能的影響研究

趙曉東，張智華，杜 江

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

固化膠粘劑對光纖環(huán)溫度性能的影響研究

趙曉東，張智華，杜 江

（北京航天時代光電科技有限公司，北京100094）

光纖環(huán)是光纖陀螺的核心部件，其溫度性能直接影響光纖陀螺的精度。膠粘劑作為光纖環(huán)的重要組成成分，其選用是否得當(dāng)決定了光纖環(huán)性能的優(yōu)劣。首先理論分析了膠粘劑的性能對光纖環(huán)性能的影響，并選取了三種具有不同性能的膠粘劑作為光纖環(huán)用膠粘劑，對比分析了不同種類膠粘劑對光纖環(huán)溫度性能的影響。結(jié)果表明選擇具有模量適中、較低固化收縮率和足夠粘接強度的膠粘劑，得到的光纖環(huán)具有更好的溫度性能。

光纖環(huán)；膠粘劑；光纖陀螺；溫度性能

0　引言

光纖陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的角速度光纖傳感器，主要由光路和電路兩部分組成。光纖環(huán)作為光纖陀螺光路部分的核心器件，其溫度性能和抗干擾能力直接影響光纖陀螺的性能［1-3］?，F(xiàn)階段提高光纖環(huán)的溫度穩(wěn)定性能和抗振動性能是提高光纖陀螺整體精度的重要措施。

為了滿足光纖陀螺的振動性能要求，繞制后的光纖環(huán)需要施膠固化加以固定。固化膠雖然可以有效地固定光纖線圈，若選用的固化膠性能不合適，不但固化效果不理想，還會影響光纖環(huán)的溫度性能，甚至還會造成光纖環(huán)斷纖［4-6］。本文通過選用具有不同類別和性能的幾種高分子膠粘劑作為光纖環(huán)固化膠，研究固化膠的性能對光纖環(huán)性能的影響，為光纖環(huán)制造用膠粘劑選型提供參考依據(jù)。

1　理論分析

當(dāng)光纖之間的空氣被膠粘劑取代后，會給光纖帶來新的應(yīng)力。膠粘劑固化時對光纖產(chǎn)生的應(yīng)力主要包括兩種:固化過程因膠粘劑的體積收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力和外部環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力與固化膠的熱形變、彈性模量和溫度變化成正比。如式（1）所示［7］:

其中，σ收縮為膠粘劑的固化收縮應(yīng)變，E1為固化膠固化過程中的彈性模量，E2為固化膠固化過程結(jié)束后的彈性模量，α為固化膠的熱變型量。

在固化過程中，膠粘劑對光纖施加的應(yīng)力實際可以分為三個階段:第一階段，即固化反應(yīng)的初始階段，樹脂處于黏流態(tài)，此時不管是熱膨脹還是固化收縮都不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；第二階段，此時固化過程開始不久，膠粘劑處于黏彈態(tài)并具有一定的模量，此時對光纖的作用力為熱應(yīng)力和固化收縮應(yīng)力的共同作用結(jié)果；第三階段，即冷卻開始之后，樹脂固化過程基本結(jié)束，固化收縮不再發(fā)生，此時膠粘劑對光纖的應(yīng)力僅有由于溫度下降導(dǎo)致的熱收縮應(yīng)力。圖1所示為通過數(shù)學(xué)建模模擬的方法得到某款熱固化型膠粘劑在固化時其中心點的內(nèi)應(yīng)力隨著固化時間的變化數(shù)據(jù)，可以看到第三階段曲線的斜率大于第二階段的斜率，說明熱收縮力對內(nèi)應(yīng)力的影響大于固化收縮效應(yīng)的影響［8］。而熱收縮力的大小與膠粘劑本身固化后的彈性模量呈正比，因此彈性模量為膠粘劑固化時對光纖應(yīng)力大小的主要影響因素。

圖1　膠粘劑中心點應(yīng)力隨固化時間的變化曲線Fig.1 Curves of adhesive central point stress versus curing time

由于光纖是一種對應(yīng)力非常敏感的材料，光纖內(nèi)部的應(yīng)力分布會由于外部應(yīng)力的變化而相應(yīng)的改變，從而引起光纖折射率的變化，導(dǎo)致光纖中傳播光的相位和強度發(fā)生改變，使陀螺輸出產(chǎn)生非互易相移。式（2）所示為應(yīng)力變化率對相位漂移的貢獻(xiàn)［9］:

其中，?neff/?ε為折射率的的應(yīng)力系數(shù)，d（z，t）/dt為應(yīng)力分布的變化率。從式（2）可以看到，應(yīng)力分布的變化率越大，距離光纖中點越遠(yuǎn)，由應(yīng)力產(chǎn)生的相位差就越大，因此若想要產(chǎn)生的相位漂移越小，則要求膠粘劑固化后對光纖產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)盡可能小。從之前的分析可以看出，為了盡可能降低膠粘劑的存在對光纖產(chǎn)生的應(yīng)力影響，要求膠粘劑應(yīng)具有盡可能小的彈性模量和小的固化收縮率。

2　膠粘劑指標(biāo)對比分析

根據(jù)之前的分析可以看出，彈性模量和固化收縮率為膠粘劑對光纖作用力大小的主要影響因素，因此為了研究和驗證具有不同彈性模量和固化收縮率的膠粘劑對光纖環(huán)性能的影響，我們分別選取了三種具有不同彈性模量和固化收縮率的膠粘劑A、膠粘劑B、膠粘劑C進(jìn)行了光纖環(huán)涂膠固化（繞制）試驗。其中，膠粘劑A屬于高斷裂伸長率、高固化收縮率、低拉伸強度和低彈性模量的硅橡膠類膠粘劑；膠粘劑B屬于低斷裂伸長率、低固化收縮率、高拉伸強度和高彈性模量環(huán)氧類膠粘劑；膠粘劑C則是各項指標(biāo)都處于中間位置的環(huán)氧類膠黏劑。

3　不同膠粘劑對光纖環(huán)應(yīng)力的影響

為了盡可能地排除一切非膠因素的影響，所有試驗環(huán)使用相同骨架，繞制時采用相同規(guī)格的保偏光纖、相同工藝?yán)@制，繞制長度800m。三種膠粘劑繞制的光纖環(huán)分別命名為光纖環(huán)A、光纖環(huán)B、光纖環(huán)C。

圖2所示為光纖環(huán)在使用三種不同膠粘劑涂膠前后的應(yīng)力測試曲線，可以看到未涂膠時光纖環(huán)的應(yīng)力分布比較均勻。而固化后應(yīng)力分布曲線的峰峰值明顯增大，與固化前相比不同長度上的應(yīng)力分布變化更加劇烈。其中，涂覆膠粘劑B的光纖環(huán)的應(yīng)力最大，達(dá)到了2066，膠粘劑A的最小，只有504.4，膠粘劑C則位于二者之間。同時，可以看出三種膠粘劑繞制的光纖環(huán)的應(yīng)力的分布都呈現(xiàn) “山峰”狀的曲線，通過前面的理論分析可知膠粘劑的固化過程分為三個階段，而第三個階段為膠粘劑對光纖應(yīng)力的主要產(chǎn)生階段。圖3為光纖環(huán)固化時的截面示意圖，從圖3中可以看出當(dāng)膠粘劑的固化過程進(jìn)入第三階段后，由于溫度的下降膠粘劑整體會呈現(xiàn)收縮態(tài)，以最內(nèi)側(cè)一層光纖為例，其將受到整個外層膠粘劑的收縮擠壓。因此，最內(nèi)側(cè)光纖受到的擠壓力最大，其應(yīng)力也最大。依次類推越外層光纖受到的收縮擠壓力越小，光纖環(huán)的應(yīng)力分布就呈現(xiàn)出了 “山峰”狀。

圖2　光纖環(huán)涂膠前后的應(yīng)力測試曲線Fig.2 Stress distribution of fiber coil before and after coating adhesive

圖3　光纖環(huán)截面示意圖Fig.3 Cross section diagram of fiber coil

由于膠粘劑A具有高固化收縮率和極低的彈性模量，并且其玻璃化溫度很低，固化時的溫度遠(yuǎn)高于其玻璃化溫度，在固化后膠粘劑A處于黏彈態(tài)，其固化收縮對光纖產(chǎn)生的力很小，而且在固化結(jié)束后的熱收縮過程中，由于其模量極低，對光纖產(chǎn)生的收縮力也很小。因此，使用膠粘劑A繞制的光纖環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力最小。而膠粘劑B和膠粘劑C由于玻璃化溫度較高，固化時膠粘劑會經(jīng)歷從黏流態(tài)到黏彈態(tài)再到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。在固化過程的第二階段，二者都處于黏彈態(tài)，雖然膠粘劑B的固化收縮率為膠粘劑C的一半，但其模量要高出膠粘劑C很多，因此二者在第二階段對光纖產(chǎn)生的固化收縮應(yīng)力相當(dāng)。第三階段開始后，由于膠粘劑B的模量要大出膠粘劑C很多，因此膠粘劑B對光纖產(chǎn)生的熱收縮應(yīng)力也最大。因此，涂覆膠粘劑B的光纖環(huán)的應(yīng)力最大，膠粘劑A的最小，膠粘劑C則處于中間位置。

4　光纖環(huán)應(yīng)力隨溫度變化測試

為了進(jìn)一步探索溫度變化時膠粘劑對光纖環(huán)性能的影響，我們對涂覆三種膠粘劑的光纖環(huán)的應(yīng)力在不同溫度下的變化進(jìn)行了研究，將光纖環(huán)置于溫箱中，兩端尾纖從測試孔引出溫箱外，一端通過適配器接應(yīng)力分析儀，另一端空置，溫箱設(shè)置為定點運行，溫度點分別為-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃，不同溫度點間的溫變速率為2℃/min，各溫度點在保持1h后檢測光纖環(huán)中的應(yīng)力分布，試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。可以看到三種光纖環(huán)的應(yīng)力峰峰值都呈現(xiàn)出了隨著溫度的升高而逐漸降低的趨勢，光纖環(huán)A的應(yīng)力變化最小，光纖環(huán)B的應(yīng)力變化量最大，光纖環(huán)C的應(yīng)力變化量處于中間位置，環(huán)兩端光纖的應(yīng)力隨著溫度的升高而逐漸升高，“山峰”狀的應(yīng)力曲線逐漸平緩，甚至于消失。從之前的分析可以看出當(dāng)整個固化過程結(jié)束，光纖環(huán)冷卻至室溫后，膠粘劑對光纖的應(yīng)力主要包括固化收縮力和熱收縮應(yīng)力，當(dāng)把光纖環(huán)進(jìn)一步冷卻至-40℃的過程中，膠粘劑進(jìn)一步收縮，最內(nèi)側(cè)的光纖受到膠粘劑更多的收縮擠壓力，因此光纖環(huán)的整體應(yīng)力變得更大。當(dāng)溫度逐漸升高后，膠粘劑則開始熱膨脹的過程，最外層的光纖受到膠粘劑的膨脹擠壓應(yīng)力越來越大，因此光纖環(huán)兩端光纖的應(yīng)力逐漸變大，光纖環(huán)的整體應(yīng)力逐漸變小。

圖4　涂覆三種膠粘劑的光纖環(huán)應(yīng)力隨溫度的變化數(shù)據(jù)Fig.4 Stress distribution of fiber coil at different temperature

5　光纖環(huán)溫度性能測試

為了進(jìn)一步探究膠粘劑對光纖環(huán)溫度性能的影響。分別對使用三種膠粘劑繞制的光纖環(huán)進(jìn)行溫度測試，測試條件為:-40℃～70℃，2℃/min，極限保溫1h。

圖5所示為三種光纖環(huán)溫度性能對比。從圖5中可以看出，光纖環(huán)C的溫度性能最好，光纖環(huán)A的最差，光纖環(huán)B位于中間位置。對于光纖環(huán)來說，膠粘劑的力學(xué)性能對光纖環(huán)的溫度性能影響最大，由于溫度的變化導(dǎo)致膠粘劑發(fā)生熱脹冷縮的行為，從而對光纖產(chǎn)生不同大小的應(yīng)力。結(jié)合圖4可以看出，當(dāng)溫度變化時，膠粘劑B對光纖的應(yīng)力變化要遠(yuǎn)大于膠粘劑A，因此涂覆光纖環(huán)A應(yīng)具有更好的溫度性能，然而實際情況卻相反。對光纖環(huán)A進(jìn)行仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)光纖環(huán)一側(cè)出現(xiàn)了開裂。如圖6所示，可以明顯看出兩層光纖之間存在一個明顯的縫隙，對其放大后可以看到縫隙的兩側(cè)具有明顯的互補形狀，說明是由于膠粘劑開裂造成的縫隙。由于一側(cè)開裂導(dǎo)致光纖兩側(cè)在溫度變化時受到的應(yīng)力不同，從而使得光纖的對稱性遭到破壞，光纖環(huán)的溫度性能變差。分析原因應(yīng)該是由于膠粘劑A屬于硅橡膠類膠粘劑，其粘接強度過低導(dǎo)致在溫度變化時發(fā)生開裂的現(xiàn)象。膠粘劑C的模量適中，對光纖的產(chǎn)生的熱應(yīng)力變化也相對較小，從而保證了光纖環(huán)C的溫度性能最優(yōu)。

圖5　三種光纖環(huán)溫度性能對比Fig.5 Contrast of three fiber coil temperature performance

圖6　光纖環(huán)A溫度性能測試后的光學(xué)圖片（b為a的放大）Fig.6 Optical images of fiber coil A after temperature test （b is the magnification of a）

6　結(jié)論

本文通過選取三種不同類型和不同性能的膠粘劑作為光纖環(huán)用膠粘劑，研究了膠粘劑性能對光纖環(huán)的性能影響。測試結(jié)果表明相比于未涂膠時，采用低模量的硅橡膠類膠粘劑A得到的光纖環(huán)具有最低的應(yīng)力，但由于其粘接強度較低導(dǎo)致光纖環(huán)在外界溫度環(huán)境變化時發(fā)生開裂現(xiàn)象，致使光纖環(huán)溫度性能試驗劣化嚴(yán)重。采用模量等性能適中的膠粘劑C得到的光纖環(huán)具有較低的應(yīng)力和最好的溫度性能，而采用模量最大的膠粘劑B的光纖環(huán)，應(yīng)力最大的同時溫度性能也有一定的劣化。因此，選擇合適的膠粘劑可以有效地提高光纖環(huán)的溫度性能，提高光纖陀螺的整體精度和應(yīng)用水平。

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Effect of Cured Adhesive on the Temperature Performance of Fiber Coil

ZHAO Xiao-dong，ZHANG Zhi-hua，DU Jiang
（Beijing Aerospace Times Optical-electronic Co.Ltd.，Beijing 100094）

Fiber coil is the core part of the fiber optic gyroscope（FOG），its temperature performance directly determines the precision of FOG.The adhesive is the important composition of fiber coil，and the selection and use of adhesive is very important to the performance of fiber coil.This paper theoretically analyze the influence of adhesive properties on the performance of fiber coli，and three adhesives with different properties are used to coat fiber coil，the effects caused by adhesive with different properties on the temperature performance of fiber coil are contrasted and analyzed.The experiment results indicate that using adhesive with appropriate modulus，low cure shrinkage and enough tensile shear strength could get better temperature performance of fiber coil.

fiber coil；adhesive；fiber optic gyroscope；temperature performance

TN253

A

1674-5558（2016）03-01115

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.013

2015-05-05

趙曉東，男，博士，工程師，研究方向為慣性器件材料應(yīng)用技術(shù)。