布拉格光柵植入角度對在復(fù)合材料中傳感檢測特性影響*

王 奔，段玉崗，李金鍵，高 侃

（1. 西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049；2. 中國電子科技集團公司第二十三研究所，上海 200437）

復(fù)合材料因其高比強度、高比模量、良好的抗疲勞特性等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于航空航天、能源裝備等領(lǐng)域，但復(fù)合材料構(gòu)件的制造與維護成本較高，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役期間需要進行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在的缺陷，并采取相應(yīng)的修補措施[1-2]。光纖傳感器體積小、靈敏度高、不受電磁干擾，易于植入到復(fù)合材料內(nèi)部，實現(xiàn)工程化應(yīng)用。因此光纖智能復(fù)合材料的研究越來越受到重視[3]，目前對于植入到復(fù)合材料內(nèi)部光纖光柵傳感特性的相關(guān)研究主要集中于對復(fù)合材料熱壓罐固化過程及復(fù)合材料溫度和應(yīng)變的檢測進行研究[4-5]。如Satori等[6]研究了小直徑光纖光柵植入復(fù)合材料后對溫度和應(yīng)變的檢測特性。Viera等[7]研究了不同光柵涂層和光柵長度對光柵檢測特性的影響規(guī)律。但是，目前的研究主要集中于改善植入光柵的檢測效果，卻很少有研究對于光纖植入方式與檢測效果影響機制進行研究。對于光纖植入方式，現(xiàn)有的研究里主要針對于光纖與碳纖維之間夾角對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[8-9]，但是卻未有有關(guān)夾角對在復(fù)合材料內(nèi)傳感檢測特性影響的相關(guān)研究。本文對內(nèi)置于準各向同性復(fù)合材料層間的光纖傳感器在拉伸與彎曲過程中的檢測特性進行研究，并與粘貼在試樣表面的應(yīng)變片檢測數(shù)據(jù)進行比較，探索植入復(fù)合材料的光纖傳感器在復(fù)合材料應(yīng)變檢測中的有效性與可靠性。

1 試驗材料與方法

試驗用碳纖維預(yù)浸帶由威海光威公司提供，其中碳纖維為TC35-12K（臺灣臺麗），樹脂為環(huán)氧樹脂，預(yù)浸帶樹脂的質(zhì)量分數(shù)為33%。光纖為fibertronix公司生產(chǎn)的聚酰亞胺涂層單模光纖（OF），纖芯直徑為8.4μm，包層直徑為125μm度為10μm，布拉格光柵由中國電子科技集團公司第二十三研究所刻制，光柵長度為10mm。

試驗采用準各向同性的復(fù)合材料層合板[-45/90/45/0/-45/90/45/0]s，樣件的總體尺寸為250mm×15mm×1mm。檢測特性試驗包括溫度特性檢測以及拉伸應(yīng)力檢測。其中，拉伸試驗在INSTRON8803型試驗機上進行，分級施加載荷至試樣破壞，加載速度為1.5mm/min。在拉伸過程中應(yīng)變儀連續(xù)監(jiān)測試樣表面的應(yīng)變變化，由光柵解調(diào)儀（SM125）收集檢測信號。對于拉伸試驗，存在光纖植入方向、各層碳纖維方向、拉伸方向3種方向，而拉伸應(yīng)力基本沿平面方向發(fā)展，因此為了減少試驗量，保證試驗精度與可靠性，試驗中將光纖植入方向與拉伸方向保持一致，植入到不同復(fù)合材料層中，以實現(xiàn)不同植入光纖與碳纖維之間的夾角。試驗將光纖植入到3種不同夾角之中（0/0層、0/45 、45/90層）如圖1所示。布拉格光柵位于樣件的中間位置與拉伸方向相同，而應(yīng)變片粘貼在試樣表面的中心位置。采用高低溫箱提供溫度環(huán)境通過電子加熱爐得到不同溫度下布拉格光柵的溫度檢測圖譜。試驗中，由箱內(nèi)的溫度計和面板上的數(shù)字表讀取溫度值，精度為1℃。同時，本文將與碳纖維方向一致的光纖植入到單向復(fù)合材料當中（中心位置）作為對比試樣，以盡可能減少角度畸變對光柵檢測信號帶來的影響[10]，比較排除植入光纖的復(fù)合材料在固化過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力等因素的影響。

圖1 植入光纖的復(fù)合材料試樣件Fig.1 Sample of composite embedded with OF

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植入角度布拉格光柵溫度特性

植入到復(fù)合材料層合板內(nèi)的光柵在各溫度下的反射譜如圖2所示。可知，光纖植入到不同層中，不同溫度下檢測特征峰并不一樣。在0/0層內(nèi)，光柵的特征峰形態(tài)基本與單向板保持一致，同時特征峰峰值隨著溫度增加而向右移動，出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象；而在0/45層與45/90層內(nèi)，低溫下的特征峰呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，而隨著溫度的增加特征峰恢復(fù)到單峰形態(tài)。

圖2 20～140℃ OF植入在不同層內(nèi)的反射光譜圖Fig.2 Spectra of OF embedded composite arranging from 20℃ to 140℃

為定量描述布拉格光柵反射譜的變化，將OF植入前與植入后的半高峰寬（FWHM）進行比較。圖3為植入前后各光柵半高峰寬的變化對比圖?？芍踩氲絾蜗?、0/0、0/45、45/90層中間光柵的半高峰寬分別增大了 0.11nm、0.123nm、0.257nm、0.443nm，說明 OF植入到復(fù)合材料后各光柵光譜均發(fā)生變化，但是與單向?qū)雍习逑啾龋饫w植入到準各向同性層合板中半高峰寬變化更大，并且隨著相鄰兩層預(yù)浸帶的夾角越大，光柵半高峰寬度也越大。在準各向同性層合板中，而當OF與相鄰兩層預(yù)浸帶的夾角越大，光柵反射譜變化更加明顯。這是因為在復(fù)合材料進行熱壓罐固化時，植入到準各向同性層合板中的光纖光柵周圍樹脂和碳纖維分布不均勻，加上樹脂與碳纖維的熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致在固化降溫階段產(chǎn)生了不均勻的收縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致光柵光譜出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。圖4為采用VH-8000數(shù)字光學(xué)顯微鏡觀察到的3根植入到復(fù)合材料內(nèi)光纖光柵的斷面圖。由圖可以看到，當OF植入到45/90層預(yù)浸帶中間時，因為與相鄰層的預(yù)浸帶存在夾角，OF周圍有較大范圍的樹脂富足區(qū)，造成光柵周圍產(chǎn)生較大殘余不均勻應(yīng)力；而植入到0/45層和0/0層預(yù)浸帶中間的OF四周包圍著碳纖維，光纖已經(jīng)移動到0°方向的預(yù)浸帶中，OF植入造成的局部不均勻殘余應(yīng)力比較小。

此外，通過對各光柵反射譜隨溫度的變化趨勢圖的觀察可以看出，當復(fù)合材料的溫度升高時，植入到復(fù)合材料的光柵反射譜劣化現(xiàn)象逐漸消失。圖5所示為光纖光柵半高峰寬隨溫度的變化關(guān)系曲線，隨著溫度的升高，各光柵的半高峰寬值逐漸減小，當溫度達到100℃時，植入到0/0層和0/45層預(yù)浸帶的光柵反射譜半高峰寬開始保持穩(wěn)定，100℃之后隨著溫度的升高僅僅光柵反射波長發(fā)生變化，光柵反射譜形狀不再發(fā)生變化；而植入到45/90層預(yù)浸帶間光纖光柵反射譜的半高峰寬在溫度達到120℃時開始保持穩(wěn)定。由上述現(xiàn)象可以證實，與相鄰層預(yù)浸帶不同夾角的光柵反射譜出現(xiàn)劣化現(xiàn)

圖3 OF植入前后半高峰寬變化Fig.3 Variation of FWHM before and after OF embedment

圖4 光柵植入復(fù)合材料后的斷面圖Fig.4 Cross-section view （microscopic scale） for the composites structure with the embedded OF

圖5 光柵半高峰寬隨溫度的變化曲線Fig.5 Variation of embedded OF FWHM with temperature

圖6 光柵波長-溫度擬合曲線Fig.6 Fitting curve of FBG wavelength versus temperature

2.2 不同植入角度光柵拉伸應(yīng)變檢測特性

圖7 為各光柵反射譜隨加載載荷的變化，與單向?qū)雍习逑啾龋踩氲?/0層預(yù)浸帶中間的光柵光譜在加載過程中相對穩(wěn)定，從載荷為5kN開始光譜出現(xiàn)輕微變化，但總加載過程光譜形狀保持性較好。而植入到0/45層預(yù)浸帶中間的光柵光譜加載之前已經(jīng)出現(xiàn)劈裂峰，這主要是由于光纖與相鄰碳纖維之間存在夾角，引起應(yīng)力不均勻造成的；隨著拉伸載荷的增大，光譜中的最高峰逐漸在兩個峰之間發(fā)生偏移，2kN以內(nèi)光柵左側(cè)峰為最高峰，而3～4kN時右側(cè)峰為最高峰，5～6kN變換到左側(cè)，7～8kN最高峰又出現(xiàn)在右側(cè)，這說明隨著應(yīng)力的增加光柵周圍的應(yīng)力分布發(fā)生了變化。而對于植入到45/90層的光柵，這種特征峰的畸變變得更加強烈，并且隨著載荷的增加，特征峰也發(fā)生了兩個峰形狀的變化，這說明與0/45層相比，45/90層的中光柵周圍應(yīng)力分布更加不均勻，嚴重影響了光柵特征峰的選取[11]。

圖7 OF植入在不同層內(nèi)隨拉伸載荷變化的反射光譜圖（0～8kN）Fig.7 Spectra of OF embedded composites with tensile load arranging from 0 to 8kN

為了進一步說明由于光纖在不同鋪層中對應(yīng)變測試的影響，表1將各加載載荷下應(yīng)變片與光柵的應(yīng)變值進行了比較?？芍诟骷虞d載荷下，植入到0/0層預(yù)浸帶中間光柵的應(yīng)變測量值小于應(yīng)變片的應(yīng)變測量值，象是由于光柵周圍的熱固化殘余不均勻熱應(yīng)力導(dǎo)致的，且植入的OF與復(fù)合材料的夾角越大，固化后在光纖周圍產(chǎn)生的殘余不均勻應(yīng)力越大。因此隨著溫度升高，復(fù)合材料發(fā)生熱膨脹，使復(fù)合材料熱固化降溫過程中在光纖周圍產(chǎn)生的殘余不均勻應(yīng)力逐漸釋放，各光柵反射譜的形狀也逐漸恢復(fù)。

植入復(fù)合材料各光柵的反射波長隨溫度的變化關(guān)系曲線如圖6所示，植入到0/0層、0/45層、45/90層預(yù)浸帶中間的布拉格光柵反射波長與溫度變化的擬合曲線分別為y=0.01296x+1554.353，y=0.01265x+1554.335，y=0.01136x+1554.351，各擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.998、0.996、0.968，可以看到，與相鄰預(yù)浸帶存在夾角時光柵溫度檢測擬合曲線的線性擬合度相對較差，且夾角越大，擬合曲線的線性擬合度越差。這是由于光柵反射譜發(fā)生劣化，在復(fù)合材料溫度升高過程中光柵反射譜形狀不斷變化而導(dǎo)致光柵反射波長在原來預(yù)定偏移量的基礎(chǔ)上的無規(guī)律變化而引起的。而植入到0/45層間光柵的應(yīng)變值遠大于應(yīng)變片的應(yīng)變值；對于植入到45/90層的光柵來說，其應(yīng)變值在載荷6kN之前與應(yīng)變片的測量值較為接近，但是當載荷大于6kN時，光柵的應(yīng)變值大于應(yīng)變片的檢測值。

表1 拉伸過程應(yīng)變片與光柵對應(yīng)的應(yīng)變值 με

為表示各不同植入角度光柵的檢測精度，采用在各載荷下光柵測量到的應(yīng)變值與應(yīng)變片測量到的應(yīng)變值差值絕對值的平均數(shù)來表示[12]

式中：ε光柵i為加載載荷為i時光柵應(yīng)變值（με）；ε應(yīng)變片i為加載載荷為i時應(yīng)變片應(yīng)變值（με）。

計算結(jié)果見圖8，當相鄰兩層預(yù)浸帶的方向為0/45、45/90 時，光柵的值遠遠大于植入到0/0層預(yù)浸帶中間的光柵，說明與相鄰兩層預(yù)浸帶的夾角增大會引起光柵較大的檢測偏差，影響光柵的檢測精度。

圖8 光柵與應(yīng)變片測量值偏差平均值Fig.8 Average difference values of strain

3 結(jié)論

在準各向同性的復(fù)合材料層合板中，OF在不同層內(nèi)會對其溫度和應(yīng)變檢測特性造成較大影響，與相鄰層預(yù)浸帶的夾角越大，光柵周圍應(yīng)力分布越不均勻，造成光柵反射譜劣化現(xiàn)象越嚴重，光柵檢測曲線線性擬合度越差；同時比較準各向同性各層的測試結(jié)果，位于0/O層內(nèi)的光柵反射圖譜特征峰明確，線性擬合結(jié)果較好，因此，對于光纖植入復(fù)合材料來說，應(yīng)將光柵植入與相鄰碳纖維同一方向的層內(nèi)。

參 考 文 獻

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