復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與途徑

閻 君，王智勇，譚志勇

（1. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京強度與環(huán)境研究所，北京，100076；3. 空間物理重點實驗室，北京，100076）

0 引 言

復(fù)合材料具備高比強度、比模量和可設(shè)計性等優(yōu)點以及優(yōu)異的高溫性能，是目前熱結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)發(fā)展方向，已廣泛應(yīng)用于國外先進的新一代航空飛機、航天運載器的局部以及整體熱結(jié)構(gòu)[1]。圖1給出了某航天器結(jié)構(gòu)的表面溫度分布以及適應(yīng)于不同溫度使用的材料類型，可以看出，迎風(fēng)面大面積已達到1000 ℃左右，高溫力熱耦合使用環(huán)境是熱結(jié)構(gòu)的普遍特征。

圖1 某航天器結(jié)構(gòu) Fig.1 Aircraft Structure

為確保熱結(jié)構(gòu)全壽命使用條件下的可靠性，解決復(fù)合材料性能分散性大、成型工藝復(fù)雜等難點，就必須在數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)上，模擬真實高溫使用環(huán)境進行地面考核試驗[2]。因此，在熱結(jié)構(gòu)不斷拓展服役溫度范圍的工程發(fā)展過程中，高溫力學(xué)試驗與測試的發(fā)展貫穿于技術(shù)發(fā)展的整個環(huán)節(jié)。而在各類試驗中，獲取熱力環(huán)境參數(shù)以及熱結(jié)構(gòu)在高溫下的響應(yīng)參數(shù)（溫度、應(yīng)變、變形等），是試驗最為重要的目的。伴隨這一目的，形成適應(yīng)專業(yè)技術(shù)發(fā)展和結(jié)構(gòu)研制應(yīng)用需求的完整試驗測試能力體系，成為新型熱結(jié)構(gòu)研制與應(yīng)用技術(shù)進步的重要標志之一。

參考美國等國家在以陶瓷基、碳基為代表的先進復(fù)合材料及其工程應(yīng)用的發(fā)展過程中，面對熱結(jié)構(gòu)需求，由工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、國家實驗室等多部門聯(lián)合開展了極端環(huán)境測試技術(shù)相關(guān)研究，主要涉及溫度、熱流、高溫應(yīng)變、加速度、變形等熱力學(xué)參數(shù)。

高溫下熱結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)是結(jié)構(gòu)服役性能的重要表征，而受制于極端高溫、環(huán)境與結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合等因素，高溫應(yīng)變存在測不到、測不準的瓶頸難點。圖2給出了在X-37飛行產(chǎn)品設(shè)計過程中，針對承受重要載荷的控制舵開展的地面試驗，通過高溫應(yīng)變測試有效支撐了結(jié)構(gòu)研制[3,4]。相關(guān)的技術(shù)資料表明[5]，獲取熱承載結(jié)構(gòu)在高溫下的應(yīng)變參數(shù)是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算模型驗證、結(jié)構(gòu)強度評估面臨的基礎(chǔ)共性問題。

圖2 國外在熱結(jié)構(gòu)研制中的高溫應(yīng)變需求與作用示意 Fig.2 Schematic Diagram of High Temperature Strain Demand and Function in Thermal Structure Development Abroad

高溫應(yīng)變測試技術(shù)本身隨著鋁合金、鈦合金、高溫合金鋼等高溫承力結(jié)構(gòu)的使用有很多年的發(fā)展歷史，為解決測溫極限、熱膨脹匹配、溫度補償?shù)葐栴}，形成了各種規(guī)格的高溫電阻應(yīng)變計；近30年快速發(fā)展的各類光纖傳感技術(shù)如光纖光柵、法布里-珀羅干涉、分布式光纖傳感等因光纖具有的耐高溫、耐腐蝕、耐電磁干擾等優(yōu)點為高溫應(yīng)變測試提供了新手段；而隨著圖像獲取和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，各類非接觸光學(xué)測試如數(shù)字圖像相關(guān)、云紋法、激光剪切散斑干涉、敏感梯度相關(guān)等也為高溫應(yīng)變測試問題的解決提供了新的思路。不管是哪種方法，具體到測試需求和測試場景時，都需要面臨測試對象、測試極限、測試環(huán)境、測試精度、數(shù)據(jù)處理、溫度效應(yīng)修正等問題，具有防熱、承力一體化功能的熱結(jié)構(gòu)承受的載荷特性和各種試驗的測試場景差異制約了多數(shù)測試技術(shù)的現(xiàn)場適用性，很多在實驗室發(fā)展良好的測試技術(shù)在熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用時數(shù)據(jù)誤差大到無法接受甚至極不合理的程度，對于大型復(fù)雜熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試仍然是急需解決的問題之一。

本文對高溫應(yīng)變測試技術(shù)進行系統(tǒng)梳理的基礎(chǔ)上，對熱結(jié)構(gòu)研制應(yīng)用中采用的不同技術(shù)途徑進行了分析，總結(jié)了不足與差距，提出了本技術(shù)領(lǐng)域研究的后續(xù)發(fā)展思路與建議，為后續(xù)熱結(jié)構(gòu)試驗獲取有效測試數(shù)據(jù)提供參考，并支撐地面試驗與測試技術(shù)體系的逐步完善。

1 研究現(xiàn)狀

近些年圍繞著復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的研制和考核需求，研究人員主要在電阻應(yīng)變、光纖傳感為代表的接觸式點測試和以數(shù)字圖像相關(guān)為代表的非接觸場測試方面開展了大量研究，取得了相關(guān)進展。

1.1 復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試的特點

復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)在作為航天產(chǎn)品的使用過程中需要承受高量級的氣動熱、氣動力、慣性力、振動、氣動噪聲等綜合作用，采用輕質(zhì)化設(shè)計的同時需要滿足高溫承載的基本要求。根據(jù)載荷特征，熱結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)以提供用于評價高溫靜強度為主，某些情況也需要兼顧高溫動強度，這也決定了對高溫應(yīng)變測試的基本需求是高溫靜應(yīng)變。

熱結(jié)構(gòu)高溫度場的時變特征和空間梯度分布特點使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力是熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的復(fù)合，測試需要解決的是溫度變化過程中應(yīng)變測試問題，而非實驗室材料測試中常見的穩(wěn)態(tài)高溫下的機械應(yīng)力測試，其中溫度變化引起的熱膨脹變形需要從測試中剝離[6]。復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)較低量級的工作應(yīng)變和材料自身的各向異性提高了高溫應(yīng)變測試精度的要求，也加大了測試難度。測試的主要難題可以歸結(jié)為以下幾點：

a）傳感器及測試方法的耐高溫適用性及環(huán)境適應(yīng)性。測試對象的基本需求超過800 ℃，未來的需求參考美國NASA等資料可能達到1600 ℃以上，這就要求傳感器或測試儀器本身滿足這個基本測試耐溫范圍，高溫下靈敏度穩(wěn)定、測試量程滿足要求。同時，測試方法還要適應(yīng)地面試驗的氣動熱模擬場景（如輻射熱試驗方法、電弧風(fēng)洞等），對輻射熱場、氣流場、電磁干擾、背景光、空間干涉等帶來的測試誤差可控。若在飛行實際的試驗測試時則還需要適應(yīng)飛行耦合環(huán)境并滿足儀器化、產(chǎn)品化要求；

b）傳感器安裝工藝的耐高溫適用性以及高溫下的應(yīng)變傳遞特性。這一問題是接觸式測試方法無法規(guī)避的問題，傳感器需要與測試對象在高溫下緊密結(jié)合且中間層穩(wěn)定傳遞應(yīng)變，即傳感器安裝后具有可檢測的高溫靈敏度，并且常常還要求測試工藝具有可操作性和穩(wěn)定性。安裝工藝目前以粘貼和噴涂為主，對其它各類增材測試方法如薄膜傳感技術(shù)、激光增材技術(shù)等也有同樣的要求。除此之外，考慮測試傳感器預(yù)埋的智能結(jié)構(gòu)還需要考慮結(jié)構(gòu)制作工藝的適應(yīng)性；

c）高溫應(yīng)變測試方法的溫度補償以及力熱解耦方法。這是高溫靜應(yīng)變測試中最終影響測試數(shù)據(jù)是否可用的關(guān)鍵問題，而這一點常常在試驗初期被技術(shù)人員忽視。復(fù)雜熱結(jié)構(gòu)在實際使用時經(jīng)歷了從初始勻溫場向復(fù)雜分布溫度場快速變化的過程，各種測試方法均會隨之產(chǎn)生測試信號輸出。其中接觸式測試方法輸出是由于傳感器、測試基體以及安裝層（粘貼層或噴涂層）變溫產(chǎn)生的熱膨脹及其差異及傳感器自身因溫度變化等在輸出端產(chǎn)生的輸出信號，這部分信號與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力無關(guān)，稱之為熱輸出，在數(shù)據(jù)處理中必須消除和修正；非接觸測試方法則主要是由于結(jié)構(gòu)膨脹引起的信號輸出，由于自由熱膨脹不產(chǎn)生應(yīng)力，在用于強度評估時也需要解耦該信號；

d）由于高溫引起的熱輸出信號量級常常與工作應(yīng)變相當甚至更高，這就反過來對測試技術(shù)本身提出了嚴格要求，如瞬態(tài)傳熱差異最小化、熱膨脹匹配最優(yōu)化、安裝層易固化穩(wěn)定、用于解耦的溫度場測試精準以及用于溫度修正的熱輸出試驗測試規(guī)范等。

隨著對于熱結(jié)構(gòu)服役使用要求和極限工作溫度的不斷提高，高溫應(yīng)變測試技術(shù)需要綜合考慮上述因素、形成解決問題的可靠手段。

1.2 接觸式高溫應(yīng)變測試技術(shù)的發(fā)展

以美國NASA為代表，在高溫應(yīng)變的測試技術(shù)發(fā)展上走在前列[4,5]，圖3顯示了NASA的高溫應(yīng)變測試技術(shù)的時間-發(fā)展歷程：隨著航天產(chǎn)品研制的需求， 20世紀60～90年代以高溫電阻應(yīng)變傳感器為代表的電測法為主，2000年后即重點發(fā)展光纖應(yīng)變測試技術(shù)。 圖4顯示了當面臨熱結(jié)構(gòu)測試的需求時，NASA在2006年前后的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展目標，即遇到了沒有可用滿足需求的電阻應(yīng)變計以及電阻應(yīng)變計在溫度較高時安裝和使用困難，由此開始發(fā)展新的基于石英光纖和藍寶石光纖的應(yīng)變測試技術(shù)。最新的資料表明，對于耐溫1300 ℃的藍寶石光纖傳感器已經(jīng)研制成功，并逐步獲得應(yīng)用。

圖3 美國NASA高溫應(yīng)變測試技術(shù)發(fā)展 Fig.3 Development Diagram of NASA’s High Temperature Strain Testing Tchnology in USA

圖4 NASA在2006年提出的高溫應(yīng)變技術(shù)現(xiàn)狀與需求情況 Fig.4 Present Situation and Demand of High-temperature Strain Testing Technology Suggested by NASA in 2006

新的高溫光纖測試技術(shù)選用非本征F-P干涉?zhèn)鞲衅鬟M行高溫靜應(yīng)變測試，其原理見圖5。其中單模鍍金光纖解決1000 ℃左右的應(yīng)變測試，1000 ℃以上則采用藍寶石光纖。光纖應(yīng)變傳感器的熱輸出主要是光纖與基體的熱膨脹差異。由于在粘貼安裝應(yīng)變計過程中，傳統(tǒng)粘貼工藝在安裝膠固化時收縮龜裂容易導(dǎo)致安裝失敗，固化工藝復(fù)雜、成功率不高，傳感器安裝技術(shù)首選了熱噴涂方案。NASA的熱噴涂工藝主要包括表面處理、等離子噴涂打底和火焰噴涂安裝應(yīng)變傳感器幾個步驟，噴涂材料使用氧化鋁。圖6是應(yīng)用光纖應(yīng)變傳感器在X-37B熱結(jié)構(gòu)的熱力復(fù)合試驗上開展的測試應(yīng)用。

圖5 新型高溫光纖EFPI應(yīng)變測試原理 Fig.5 Principle of Strain Measurement of New Type Optical Fiber EFPI at High Temperature

圖6 X-37B熱結(jié)構(gòu)的EFPI高溫應(yīng)變測試應(yīng)用 Fig.6 Application of Optical Fiber EFPI Strain Measurement for X-37B Aircraft’s Thermal Structure

作為相關(guān)技術(shù)，國外近年在光纖光柵方面也有較大進展。在NASA資助下，美國依托高校成功研制耐溫1600 ℃的藍寶石光纖光柵，而歐洲以德國萊布尼茲光子技術(shù)研究所為代表，成功研制耐溫1550 ℃的藍寶石光纖光柵。由于光柵具有非常強的溫度效應(yīng)（比應(yīng)變大幾十倍），因此主要用于溫度測試，基本無法實現(xiàn)應(yīng)變測試。另外近年形成的基于散射原理的各種分布式光纖測試技術(shù)，也是另一個發(fā)展熱點，在高溫下同樣存在強溫度效應(yīng)，在高溫應(yīng)變測試中受到多因素制約，溫度應(yīng)用極限無法滿足熱結(jié)構(gòu)需求。

近幾年針對熱結(jié)構(gòu)高溫服役的驗證考核需求，中國相關(guān)單位相繼對極端高溫環(huán)境下的應(yīng)變測試方面做了一些嘗試。在傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變測試方面，重點解決熱結(jié)構(gòu)表面的安裝工藝，但實測數(shù)據(jù)效果不理想，距提取出有效的應(yīng)力應(yīng)變還有距離，而且極限應(yīng)用溫度受限于國外的商用傳感器。

中國光纖傳感高溫測試技術(shù)方面目前主要的研究方向包括EFPI、FBG、分布式光纖等，多處于基本傳感原理研究階段，涉及的溫度多在較低的溫區(qū)。由于溫度越高、相應(yīng)的難度越大、研究成本越高，且成果應(yīng)用的范圍越小，因此這些研究尚缺乏與工程應(yīng)用的緊密結(jié)合，對實際熱結(jié)構(gòu)表面的安裝工藝、溫度效應(yīng)補償、應(yīng)力應(yīng)變提取等問題涉及較少。距離滿足新型熱結(jié)構(gòu)考核測試手段還有很遠的探索距離。

1.3 非接觸式高溫應(yīng)變測試技術(shù)的發(fā)展

受限于測試場景的制約，如環(huán)境振動、氣流擾動等，導(dǎo)致多數(shù)干涉類非接觸光學(xué)測試方法的發(fā)展停留在理想的實驗室場景內(nèi)。而數(shù)字圖像相關(guān)方法的一種非干涉測量技術(shù)，由于其較強的環(huán)境適應(yīng)性，近年在高溫測試領(lǐng)域得到很大的發(fā)展。數(shù)字圖像變形場測量是通過相關(guān)匹配算法追蹤變形前后每個計算子區(qū)的位置變化來計算各點的位移和應(yīng)變，與接觸式的點測量方式相比，有全場和非接觸測量的優(yōu)勢[7]。

國內(nèi)外學(xué)者均已對高溫環(huán)境下數(shù)字圖像相關(guān)測試方法的適用性問題進行了大量研究，包括：高溫散斑制作方法、高分辨率和高對比度圖像采集方法、計算精度分析方法、誤差分析標準化方法等。但對于極端復(fù)雜場景和環(huán)境下的熱結(jié)構(gòu)測試研究較為欠缺。

在熱結(jié)構(gòu)的測試應(yīng)用方面，2015年，美國NASA格萊登研究中心將數(shù)字圖像相關(guān)測試方法應(yīng)用于C/SiC試樣高溫試驗，采用激光加熱，溫度達1300 ℃，成功獲取了高溫環(huán)境下試樣表面的變形場。X-37B的相關(guān)研究資料顯示，采用非接觸光學(xué)測試方法實現(xiàn)了超過1400 ℃的溫度場和應(yīng)變場測試。

為了解決高溫散斑制作問題，一些國內(nèi)外學(xué)者采用耐高溫的商業(yè)化成品噴漆或等離子噴涂耐高溫陶瓷材料等技術(shù)，目前可以制作出能夠耐受2600 ℃的高溫散斑。為了解決熱氣流使圖像產(chǎn)生畸變的問題，采用空氣刀或者充保護氣的方法，使熱對流引起的誤差控制在DIC方法應(yīng)變測試方法可接受的約200με范圍內(nèi)。針對試驗件的熱輻射會嚴重影響相機的成像質(zhì)量問題，研究提出了采用藍光或紫光照明并通過光學(xué)濾鏡減弱熱輻射的影響，或使用紫外線相機的手段，使得數(shù)字圖像相關(guān)方法能夠應(yīng)用于高達1500 ℃溫度范圍的變形場測試。圖7為DIC應(yīng)用于復(fù)合材料性能測試的現(xiàn)場。

圖7 采用DIC技術(shù)進行復(fù)合材料高溫力學(xué)性能測試現(xiàn)場 Fig.7 Using DIC to Test the Mechanical Properties of Composite Materials at High-temperature

通過光學(xué)非接觸全場測量可以得到熱力耦合變形場（通常為位移場、應(yīng)變場等），這些變形場往往是由機械載荷與熱載荷共同引起的，如何定量表征和解耦材料的熱力耦合變形場，實現(xiàn)應(yīng)力場與溫度場的解耦，是熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變需要關(guān)注和解決的問題。對此，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始探索數(shù)字圖像相關(guān)方法與紅外熱像相結(jié)合，或者利用彩色相機分光譜實現(xiàn)溫度應(yīng)變測試的方法[8,9]。然而這些測溫方法的精度不高，在分離熱膨脹變形計算中會引入較大誤差，還不能滿足熱結(jié)構(gòu)對于陶瓷基復(fù)合材料本身熱應(yīng)變量級較小的高精度應(yīng)變測量需求。近年來有研究者進一步嘗試把多波段紅外測溫、激光誘導(dǎo)磷光測溫等高精度測溫方法引入，與數(shù)字圖像相關(guān)測試方法相結(jié)合，尋求發(fā)展高精度溫度場應(yīng)變場同步測試技術(shù)。同時，為解決多相機同步測量引入的誤差、以及多相機坐標變換等額外工作量和準備時間的問題，也在嘗試發(fā)展用單個相機進行溫度場、變形場及應(yīng)變場的測試技術(shù)。

對于工程應(yīng)用中大型復(fù)雜外形熱結(jié)構(gòu)的考核試驗，除了解決環(huán)境適用性問題外，還面臨著輻射加熱器包圍遮擋、成像測試角度不佳等問題[10]，對此需要結(jié)合耐高溫傳像、單相機三維成像技術(shù)等，發(fā)展出一種特殊場景下的專用設(shè)備，能夠同時解決遮擋、成像角度以及相機參數(shù)固定無需標定等各種提升數(shù)字圖像相關(guān)方法工程試驗現(xiàn)場適用性的問題。

2 在復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)研制中的高溫應(yīng)變技術(shù)進展

隨著高溫承載復(fù)合材料的不斷發(fā)展，圍繞地面大型復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)試驗測試，中國分別在接觸測試和非接觸測試方向上開展了相關(guān)研究。

2.1 高溫電阻應(yīng)變片測試技術(shù)的應(yīng)用探索

為了實現(xiàn)溫度補償或降低熱輸出量級，國外發(fā)展出了自帶補償?shù)碾p片應(yīng)變計，并且已經(jīng)商業(yè)化，最高標稱溫度超過815 ℃，中國在高溫電阻應(yīng)變計的發(fā)展上則相對落后，主要聚焦于在復(fù)合材料上粘貼與噴涂安裝工藝的研究。數(shù)據(jù)修正以穩(wěn)態(tài)熱輸出為主，對于快速變溫的瞬態(tài)熱輸出目前暫較少涉及，數(shù)據(jù)評價方面包括了安裝后的熱輸出、靈敏度分散性、一致性等。

除了前宗主國英國之外，美國是這一時期緬甸著重交好與倚重的大國。1950年9月13日，美緬簽署經(jīng)濟合作協(xié)定，美方向緬甸提供首批1000萬美元的援助。1952年，根據(jù)三家美國咨詢、工程公司的設(shè)計、規(guī)劃，緬甸政府提出建設(shè)福利國家的目標，數(shù)百名美國顧問進駐緬甸，幫助其實施這一“具有劃時代意義的綜合經(jīng)濟發(fā)展計劃”。 [31]美國還向緬甸提供10艘海岸警衛(wèi)隊退役快艇用于內(nèi)陸水域巡邏。但總體來說，美國對緬甸的經(jīng)濟、軍事援助與緬甸人的預(yù)期也相差甚遠。

通過實際測試試驗得出：高溫電阻應(yīng)變計采用金屬絲柵敏感應(yīng)變，較復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)材料線膨脹系數(shù)高一個數(shù)量級，加上金屬熱阻效應(yīng)，導(dǎo)致多次嘗試時高溫電阻應(yīng)變計在熱結(jié)構(gòu)上的溫度效應(yīng)均比真實值應(yīng)變大一個數(shù)量級，這將嚴重影響最終真實數(shù)據(jù)的品質(zhì)。綜合考慮材料、工藝等因素可知，采用高溫電阻式應(yīng)變計在接近復(fù)合材料使用溫度時雖然能夠獲取數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)分散性過大，通常熱輸出分散性會達到等同于工作應(yīng)變大小，因此在熱結(jié)構(gòu)實際試驗的多點單次使用、不能實現(xiàn)每個單點多次標定的情況下，無法用于進一步數(shù)據(jù)分析。高溫電阻應(yīng)變計目前已實現(xiàn)的有效測試溫度范圍還遠不能滿足復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)測試需求。

2.2 高溫光纖傳感器技術(shù)的研究進展

不同原理的光纖應(yīng)變傳感器在高溫應(yīng)用時特性有很大差異，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器技術(shù)最成熟，但溫度敏感性比應(yīng)變敏感性高一個數(shù)量級，為了實現(xiàn)高溫應(yīng)變測試，可以采用雙光柵、參考光柵等解耦方案來分離溫度和應(yīng)變，但實際工程中熱結(jié)構(gòu)往往存在溫度的空間、時間變化，容易導(dǎo)致傳感器之間出現(xiàn)溫度偏差，從而導(dǎo)致解耦過程中引入了更大的測試誤差。采用F-P腔干涉原理的應(yīng)變傳感器，溫度和應(yīng)變的敏感性在一個數(shù)量級上，相對來說降低了溫度、應(yīng)變分離的難度。而受材質(zhì)耐溫所限，聚酰亞胺光纖制作的傳感器，其使用溫度最高不超過500 ℃；鍍金石英光纖制作的傳感器一般不超過900 ℃。藍寶石光纖制作的傳感器，其可用溫度最高，理論上可實現(xiàn)1800 ℃測試。

可以看出，使用耐高溫光纖研制EFPI高溫應(yīng)變傳感器解決熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測量具有非常高的可行性。在熱結(jié)構(gòu)上基于EFPI光纖應(yīng)變傳感器與其它使用比較廣泛的電阻應(yīng)變和FBG光纖光柵等接觸式應(yīng)變測試方法相比，具有熱輸出效應(yīng)小、應(yīng)變信息易準確提取的優(yōu)勢。因此可以考慮采用非本征法布里-珀羅干涉（EFPI）和光纖光柵（FBG）相復(fù)合的原理實現(xiàn)溫度、應(yīng)變一體化傳感；采用臨時封裝結(jié)構(gòu)以保證傳感器的質(zhì)量一致性并優(yōu)化傳感器的熱響應(yīng)，從而保證快速變溫時的測試精度。通過粘貼和噴涂工藝的適當參數(shù)優(yōu)化以實現(xiàn)復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)表面的安裝。

根據(jù)光纖材質(zhì)和微加工工藝及傳光特性的差異，目前已研制成功超過800 ℃耐溫極限高溫光纖應(yīng)變傳感器[11]。由于純藍寶石光纖傳感技術(shù)受部分關(guān)鍵技術(shù)制約距形成工程可用的傳感器還有一定差距。

為了在復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)表面上實現(xiàn)傳感器的可靠安裝，通過數(shù)據(jù)分散性研究試驗，在不斷的試驗中改進了優(yōu)化傳感器形式、安裝工藝、測試工藝[12]。獲得的試驗件熱輸出實測數(shù)據(jù)和高溫靈敏度表明可初步滿足工程測試的精度要求。

圖8為鍍金石英光纖EFPI/FBG復(fù)合傳感器。

圖8 鍍金石英光纖EFPI/FBG復(fù)合傳感器 Fig.8 The EFPI/FBG Mixed Sensor Using by Gold-coated Silica Optical Fibre

2.3 高溫光纖預(yù)埋技術(shù)的嘗試

為解決應(yīng)變片、傳感器等在結(jié)構(gòu)表面粘貼、安裝以及結(jié)構(gòu)表面走線受到的制約，通過光纖應(yīng)變傳感器在復(fù)合材料中的預(yù)埋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力識別和健康監(jiān)測也是一個重要的研究方向[13,14]。通過多種工藝途徑進行了石英光纖傳感器在陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部預(yù)埋技術(shù)、以及預(yù)埋性能分析評價研究。提出的研究技術(shù)途徑如圖9所示。

圖9 高溫光纖在陶瓷基復(fù)合材料中預(yù)埋的研究途徑 Fig.9 Research Approach of High-temperature Optical Fiber Embedded in Ceramic Matrix Composite Materials

采用多種填料將光纖包埋，填料的固化通過熱處理或熱燒結(jié)工藝。研究結(jié)果表明，高溫膠預(yù)埋集成和聚合物陶瓷前驅(qū)體預(yù)埋的兩種技術(shù)途徑效果較好。選擇普通的石英光纖以及光子晶體光纖，經(jīng)高溫固化后光纖均完好地包埋到復(fù)合材料涂層內(nèi)部，而且光纖仍保持良好的柔韌性。

采用高溫膠預(yù)埋和聚合物陶瓷前驅(qū)體預(yù)埋都具有固化溫度低，便于現(xiàn)場施工，光纖導(dǎo)通率高，對光纖性能影響小的優(yōu)點，但后續(xù)還要進一步解決預(yù)埋之后光纖脆性增加、提高與復(fù)合材料之間的有效結(jié)合性能、保證光纖的毛細管傳感器在預(yù)埋環(huán)境下可正常工作等難點。并進一步開發(fā)具有低溫快速固化、高粘結(jié)強度的新型集成填料。

2.4 高溫數(shù)字圖像相關(guān)測試技術(shù)研究進展

為適應(yīng)大型復(fù)雜熱結(jié)構(gòu)試驗考核的苛刻環(huán)境，對于高溫環(huán)境下表面載體的制作和高溫?zé)彷椛涓蓴_問題在高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)測量中已經(jīng)有了較成熟的處理方法，能夠應(yīng)對以輻射加熱或風(fēng)洞試驗為基礎(chǔ)的地面熱結(jié)構(gòu)試驗需求。

工程上采用耐高溫的商業(yè)化成品噴漆和涂層，制作適用于1200 ℃的耐高溫涂層散斑；采用等離子噴涂的方法將氧化鋁陶瓷噴涂在熱結(jié)構(gòu)試件表面，制成可耐溫1600 ℃的高溫散斑；為了方便控制散斑質(zhì)量，采用了標準散斑制作方法，降低了人員操作水平差異帶來的測試誤差[15]，圖10為制備得到的高質(zhì)量的高溫隨機散斑。

圖10 在熱結(jié)構(gòu)表面制備獲得的高質(zhì)量高溫隨機散斑 Fig.10 High-temperature Random Speckles with High-quality Prepared on the Surface of Thermal Structure

為應(yīng)對輻射加熱器的外形面包圍、表面遮擋等問題挑戰(zhàn)，采用了防隔熱一體小型化的DIC測試設(shè)備和技術(shù)，表明具有較好的適用性。而采用從結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行局部承力區(qū)域測量的方案，可實現(xiàn)熱結(jié)構(gòu)表面的薄壁蒙皮以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力區(qū)的測量。

在航空、航天產(chǎn)品的應(yīng)用中，作為試驗考核對象的熱結(jié)構(gòu)一般都表現(xiàn)出隨時間變化的空間非均勻溫度場。對此基于紅外熱像儀和數(shù)字圖像相關(guān)方法相結(jié)合的TDIC方法，已能夠?qū)崿F(xiàn)非均溫場和應(yīng)變場的同步耦合測試、并且獲得了典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用。從研究得到的解耦關(guān)系看，溫度場測試的準確性將直接關(guān)系到應(yīng)變/溫度解耦的準確性，試驗應(yīng)用中由于背景紅外（加熱裝置等造成）、結(jié)構(gòu)表面紅外反射以及結(jié)構(gòu)表面發(fā)射率變化等，造成了一定的溫度測試偏差。因此還需要對與數(shù)字圖像相關(guān)方法緊密耦合的精確溫度場/應(yīng)變場測試方法進行更深入的研究，進一步提升測試精度仍然非常必要。

3 對后續(xù)研究的思考

最新發(fā)展形成的接觸式高溫光纖、非接觸式數(shù)字圖像相關(guān)的兩類高溫應(yīng)變測試技術(shù)已經(jīng)成功獲得工程應(yīng)用，但從溫度適用極限、測試精度、數(shù)據(jù)獲取率以及應(yīng)對復(fù)雜場景等方面仍需要進一步針對實際需求開展后續(xù)研究。

未來這方面的技術(shù)發(fā)展首先仍然是提升測溫適用極限，以滿足目前的試驗測試需求并應(yīng)對未來的進一步發(fā)展。以美國NASA為代表，航空航天產(chǎn)品的熱結(jié)構(gòu)研制中對高溫應(yīng)變測試提出的需求定為1600 ℃。因此有必要繼續(xù)發(fā)展高溫光纖應(yīng)變傳感和非接觸光學(xué)測試技術(shù)，為復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的研制、應(yīng)用和考核提供技術(shù)基礎(chǔ)支撐。中國對于藍寶石光纖傳感研究目前已有了一定的基礎(chǔ)，這方面需重點關(guān)注包括藍寶石光纖的微加工工藝、多模信號的解調(diào)處理、模式降階的方法、無光損失的包層處理等關(guān)鍵問題，同時還需要突破傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、高溫區(qū)光纖引纖處理、高溫匹配安裝工藝等技術(shù)，才能有望發(fā)展出適用于大型尺寸熱結(jié)構(gòu)和復(fù)雜外形工程現(xiàn)場的藍寶石光纖傳感技術(shù)，達到接近于1600～1800 ℃的測試極限。而對于非接觸光學(xué)測試，則需要根據(jù)熱結(jié)構(gòu)材料表面特性解決更高溫度的散斑制備、研制發(fā)展出能夠適用更高環(huán)境溫度的主動照明及圖像采集技術(shù)，并研究發(fā)展基于各類先進光學(xué)的溫度場/應(yīng)變場耦合測試技術(shù)，建立準確的溫度場、應(yīng)變場測試與解耦方法，最終實現(xiàn)不低于熱結(jié)構(gòu)表面極限溫度的測試。

其次，基于地面試驗新型光學(xué)測試技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，結(jié)合飛行試驗氣動力、氣動熱以及熱結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測試需求，發(fā)展形成先進溫度、變形、應(yīng)變測試的成套裝備。目前主要是滿足地面試驗與測試，隨著飛行試驗要獲取更多響應(yīng)參數(shù)以及載荷獲取、健康監(jiān)測的需求，可以考慮把地面已經(jīng)趨于成熟的新型測試技術(shù)推廣向飛行試驗。對此需要關(guān)注并解決的問題包括：發(fā)展小型化的復(fù)合解調(diào)技術(shù)和設(shè)備，以及發(fā)展多參數(shù)（如壓力、加速度、分布溫度、熱流等）的光纖測量傳感器，逐步形成完善的、適用于航天結(jié)構(gòu)力熱載荷和響應(yīng)測試的光纖傳感裝備。而在具體技術(shù)途徑上要發(fā)展小畸變的高溫傳像技術(shù)，研制多物理量一體化非接觸光學(xué)測試設(shè)備，以及多信號大容量圖像采集、傳輸、存儲、解算、處理技術(shù)，形成適用于航天結(jié)構(gòu)整體或局部溫度場、變形場、應(yīng)變場的測試裝備。

最后，除新一代航空、航天產(chǎn)品的應(yīng)用范圍外，船舶、核電等行業(yè)也面臨著高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)的研制難題，目前這些行業(yè)也已經(jīng)開展了基于光纖和光測的應(yīng)變、溫度、壓力、振動等測試研究項目，雖然測試目的和面臨的測試環(huán)境有所差異，但與航空、航天熱結(jié)構(gòu)測試的核心技術(shù)有很多互通之處，對此可密切關(guān)注的技術(shù)發(fā)展、集中力量形成合力，有利于瓶頸難題的突破。

4 結(jié)束語

伴隨著航空、航天產(chǎn)品的不斷發(fā)展，復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)研制面臨著新材料、新工藝、新的設(shè)計理念等問題，其力學(xué)行為的復(fù)雜性，特別是高溫下耦合熱應(yīng)力和機械應(yīng)力后的強度特性，使得熱結(jié)構(gòu)的地面試驗驗證十分困難。在模擬高溫環(huán)境的考核試驗中，結(jié)構(gòu)測試參數(shù)獲取的重要性不言而喻。缺乏高溫應(yīng)變測試數(shù)據(jù)的瓶頸難點也明顯制約了熱結(jié)構(gòu)的可靠性評價及優(yōu)化改進設(shè)計。

高溫應(yīng)變測試技術(shù)主要可區(qū)分為傳統(tǒng)的應(yīng)變片電測方法、新型的高溫光纖傳感器及非接觸數(shù)字圖像相關(guān)測試技術(shù)。其中接觸式高溫光纖按照與熱結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)形式不同，又可區(qū)分為表面粘接/噴涂安裝和內(nèi)部預(yù)埋安裝。

本文系統(tǒng)總結(jié)了這些研究目前獲得的成果、存在的難點以及后續(xù)進一步發(fā)展的技術(shù)途徑。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的應(yīng)變片電測方法用在以陶瓷基復(fù)合材料為代表的熱結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)出安裝工藝差、數(shù)據(jù)誤差大、耐溫度極限受局限等問題，必須通過發(fā)展新型測試技術(shù)解決熱結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測試問題。而新型的接觸式光纖傳感和非接觸式光學(xué)測試兩種方法互相補充，共同提供了一條可行的問題解決途徑。

要滿足熱結(jié)構(gòu)服役極限溫度考核、優(yōu)化設(shè)計減重等不斷提高的急迫需求，高溫應(yīng)變需要解決的技術(shù)問題還很多。對此，在通過設(shè)計、試驗等工程單位與高等院?；A(chǔ)研究單位聯(lián)合、開展系統(tǒng)性自主研發(fā)并聚焦于核心難點的突破，將有望使高溫應(yīng)變技術(shù)水平跨上一個新的臺階，對滿足復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)測試起到有力的技術(shù)支撐。