复合材料结构的固化监测研究

滕 敏 ，马 李 ，赵先锐

（1.哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150088；2.台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

复合材料结构的固化监测研究

滕 敏1，马 李2，赵先锐2

（1.哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150088；2.台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

使用缠绕方法制作复合材料层板，将光纤布拉格光栅传感器埋入到缠绕复合材料层板中、铝板和缠绕复合材料板之间，监测整个固化历程，包括固化过程的温度变化，升温过程和降温过程的应变变化，比较不同部位的差异。结果表明：由于热力学性能不同，复合材料内部与界面之间在固化过程中存在着差异，使得两种不同的材料在固化后期存在分离现象，并释放了一部分应力。

复合材料；光纤传感技术；固化

1 引言

复合材料通常与金属材料一同使用，来弥补复合材料不密封、纤维不能承受压力的缺点，例如，复合材料导弹弹翼中需要加入钛合金骨架，蜂窝夹层结构中的复合材料蒙皮和铝蜂窝，金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器等［1-3］。但是，纤维增强复合材料是各向异性材料，金属材料为各向同性材料，两者在固化过程中将产生复杂的温度场，出现不均匀的温度分布，从而产生较高的热应力和热变形，影响两者胶接在一起的强度。如果两者在固化过程中不能很好地胶接在一起，在使用过程中必然造成金属和复合材料的分离，使得整个结构失效［4-6］。因此，有必要了解金属和复合材料界面的固化过程、载荷作用下的协调变形情况，为复合材料和金属共同安全服役提供更加可靠的依据。光纤光栅传感器由于具有可埋入的优点，为界面处的监测提供了一种可能的手段。

本文使用缠绕方法制作复合材料层板，将光纤布拉格光栅传感器埋入到缠绕复合材料层板中、铝板和缠绕复合材料板之间，监测整个固化历程，包括固化过程的温度变化，升温过程和降温过程的应变变化，比较不同部位的差异。

2 实验

2.1 铝板的处理

裁剪300 mm×300 mm的铝板，铝板厚度1 mm，为保证铝板的平整度，剪切时使用专用的切割机。先用水去除表面的泥污，然后放入烤箱在60℃的温度下干燥30 min。取出后用细砂纸打磨粗化，使用浓度99.5%的丙酮溶液擦洗除脂，再放入烤箱中在60℃的温度下干燥30 min。取出后在表面擦酸液酸蚀，酸蚀法可以使铝板表面形成新的氧化膜，如同其他非贵金属一样，表面氧化膜可以使树脂与之产生有效粘接，从而提高结合强度。酸液配制为浓硫酸∶重铬酸钾∶水=1∶10∶30，等待10 min后用65℃清水冲洗干净，再放入烤箱中60℃干燥30 min。再次取出铝板后，表面涂抹按一定配比调制的环氧树脂。

2.2 复合材料层板制备

制作的复合材料单向板使用碳纤维T800，2股纱，每层0.125 mm，在无极变速缠绕机上缠绕而成。模具经过处理后在上面刷脱模剂，然后安装在缠绕机上，一次缠绕可以制作两块板。缠绕过程中使用螺旋测微器测量板的厚度，当厚度达到1 mm时（约8层纤维），平行纤维方向和垂直纤维方向分别布置FBG应变传感器。由于FBG传感器对温度和应变都敏感，采用参考光栅法进行解耦，所埋置的参考光栅是用0.7 mm粗的针管封装的FBG传感器，此装置作为温度传感器。FBG应变传感器和FBG温度传感器布设位置如图1所示。

2.3 光纤固化与监测

放置完传感器后，继续缠绕，当厚度达到2 mm时（15层纤维），缠绕结束，再放置2个FBG应变传感器，方向分别为平行纤维方向和垂直纤维方。光纤出口的保护采用聚酰亚胺F46薄膜。将宽度10 mm的聚酰亚胺F46薄膜，裁减100 mm长的两片，把光纤传感器作为入出口的部分放在两片薄膜的中间。加热棒通电加热达到350℃时，开始对薄膜进行加热30 s。传感器与薄膜成为一体后，按设计布置在缠绕纤维上，然后在其上面放置铝板，加上模具盖板后用螺栓拧紧。模具另一侧的复合材料板不进行监测，直接加模具盖板。最后把整个模具从缠绕机上卸下，放置到烤箱中准备加热。

固化工艺为：升温速率为2℃/min，温度达到80℃时保温2 h，继续升温到120℃保温2 h，关闭烤箱自然降温。固化过程中不需要施加压力。

图1 光纤光栅传感器的布置示意图Fig.1 Sketch map of laying FBG sensors

3 结果与讨论

3.1 温度监测结果和分析

图2显示了FBG测量温度的结果，光栅测量的结果低于烤箱的设置温度，这是由于烤箱自身的热电偶处于烤箱的温度中，光栅温度传感器位于材料内部，热电偶先达到温度设定值，使烤箱停止加热；此时热量还没有完全传递到材料内部，因此光栅的测量温度值比预设值小10℃左右。

从温度监测曲线可以看出，经过封装后的光纤光栅能够作为温度传感器，测量出复合材料固化过程中材料内部的温度历程，由于烤箱中的热电偶先达到预设温度，使光栅测量到的值小于工艺过程的温度。

图2 光栅温度传感器的监测结果Fig.2 Monitored result of FBG temperature sensor

3.2 应变监测结果和分析

3.2.1 升温阶段

图3显示了升温过程中两个不同位置的光纤光栅传感器测量到的应变情况。初始阶段，复合材料内部、复合材料和铝板界面之间的应变都在下降。经过一段时间后，复合材料内部、界面处的应变均发生转折，界面处应变非线性逐渐增加，复合材料内部的应变依然继续下降。界面处的应变在升温即将结束时趋于平缓，而复合材料内部的应变经过不长时间就转为平缓，一直保持到升温结束。处于不同位置的两个光纤光栅测量到了两种不同的情况。

升温初期，两个光栅测量到的应变均为负值，说明光栅放入材料中后，由于安装模具盖板时使用螺丝拧紧，盖板给增强纤维和树脂施加了压力，增强纤维和树脂带动光栅产生了拉应变。测量时，把这时的波长作为初始值。当温度不断升高，树脂的粘稠度逐渐下降，不能再束缚住光栅的应变，光栅的应变有下降的趋势。升温一个多小时后，两个光栅的测量值都产生了拐点，界面处的应变在-20 με时有上升的趋势，光栅开始测量到拉应变。这是由于温度不断的升高，铝的热膨胀系数大，热膨胀快，铝板膨胀，带动与之相连的光栅产生正应变。材料内部的应变却迅速的下降，当应变到达-47 με时，应变开始保持平稳，不再变化。这是由于金属模具的膨胀系数大，升温膨胀后使内部的材料处于受压状态，材料体积被压缩，使光栅产生了压应变。

图3 升温过程应变监测Fig.3 Monitored strain during temperature rise

3.2.2 降温阶段

降温采取自然降温。图4显示了降温过程中两个不同位置光栅的测量结果。降温时，两个光栅测量到的应变都开始下降。界面处的应变下降得比较剧烈，在趋于平缓的时候应变产生了一个跳跃。复合材料内部的光栅先下降，而后有所增加，在一个拐点处又开始下降。

图4 降温过程应变监测Fig.4 Monitored strain during temperature fall

降温时，界面处的光栅下降得比较快，因为铝板的热膨胀系数大，降温时收缩得快，带动光栅的应变迅速降低，而后趋于平缓。固化10h左右时，应变产生了跳跃，约6με。这是由于复合材料和铝板的热膨胀系数不同，铝板收缩过快，两者发生了分离，因而界面间的应力有所释放。复合材料内部的光栅也由于温度下降应变有所降低，但比较缓慢，而后趋于平缓。

埋入FBG传感器可以实时监测缠绕单向板的固化过程，以及复合材料和铝板之间界面的固化应变。FBG传感器的测量数据表明，复合材料内部与界面之间在固化过程中存在着差异；两种不同的材料在固化后期存在着分离的现象，释放了一部分应力。

3.3 复合材料与铝板协调变形监测

图5给出复合材料层板在高温环境下不同层面的应变情况。可以看出，光纤光栅监测到了温度变化范围从室温到100℃，然后恢复到室温整个过程粘接试件的应变变化。升温阶段，铝板最初的应变为正应变，复合材料的应变为负应变，层间的应变也为正应变，但受到复合材料的束缚，因此应变小于铝板。温度持续上升，铝板和层间应变继续增长，在70℃时复合材料的应变出现了转折，开始逐渐增长。温度达到80℃时进行了一下保温处理，使烘干箱内的温度进一步稳定，此时各处的应变也也保持了一个平衡水平。温度继续升高，各处的应变也在增长。当温度达到100℃时，关闭加热器。此时，复合材料的应变继续增加，铝板、层间的应变开始下降。恢复到室温时，复合材料的应变为正值，铝板的应变为负值，层间的应变也为负值，但相对较小。

复合材料的热膨胀系数和导热系数均很小，铝板的热膨胀系数和导热系数均很高，因此升温的初始阶段铝板的温度会高于复合材料，其变形也大于复合材料。随着温度的不断升高，整个试件开始向复合材料方向弯曲，因此，复合材料的负应变是由于受到铝板变形的影响。随着温度的上升，复合材料的温度也逐渐提高，在70℃时，铝板的变形开始变缓，而复合材料的应变出现了拐点。出现拐点的原因：一是复合材料的热应变超过了铝板的影响；二是复合材料的热膨胀系数发生了变化；三是在此温度下胶粘剂的性能变化大，热膨胀系数变大，不能被忽略。在100℃时铝板、层间的应变达到最大值。降温时，铝板的热膨胀系数和导热系数大，因此应变开始减小，试件逐渐向铝板方向弯曲，带动复合材料的应变继续增加。这种变化一直持续到烘干箱内温度到达室温［7］。在室温时，试件没有恢复到原始的状态，而是向铝板弯曲，这是由于温度变化改变了胶粘剂的性能，铝板和复合材料之间的热不匹配产生了热应力，热应力存储于不可恢复的胶粘剂之间。

图5 第一次温度变化时不同层面的应变Fig.5 Strains at different layer for the first time

图6给出了复合材料层板在低温环境下不同层面的应变情况。从图中可以看出，试件遭遇低温后，迅速产生变形。铝板的应变最大，复合材料的应变最小，层间应变介于两者之间。液氮快速挥发完之后，温度升高，三个层面的变形也开始恢复，并逐渐回到初始状态。

从以上的过程可以分析出，粘接试件的温度降低后，铝板的热膨胀系数大，从室温环境降到低温后，其体积迅速收缩，产生负应变；复合材料也与此类似，但其热膨胀系数小于铝板，因此其应变变化没有铝板的大，但是复合材料总的应变值保持为负值，说明铝板对其影响小于环境的影响。两种材料之间的应变受铝板的影响多些，因铝板相对复合材料要薄一些，应变值与铝板相接近，但小于铝板的应变。

图6 低温环境下不同层面的应变Fig.6 Strains at different layer in low temperature

4 结论

（1）基于光纤光栅传感器监测了复合材料和铝板的共固化过程，受温度载荷下的变形过程，为两种不同材料共同使用提供了实验数据基础。

（2）埋入FBG传感器实时监测了缠绕单向板的固化过程，以及复合材料和铝板之间界面的固化应变。FBG传感器的测量数据表明，复合材料内部与界面之间在固化过程中存在着差异，这是由于两者的热力学性能不同而引起的；两种不同的材料在固化后期存在着分离的现象，释放了一部分应力。

（3）温度的变化使得热膨胀系数不同的复合材料层板和铝板出现不协调变形，但由于铝板相对复合材料要薄一些，界面应变值与铝板相接近，两种材料之间的应变受铝板的影响多些。

［1］吴菊，朱迅，李海燕，等.铝合金内衬复合材料高压容器界面粘结的研究［J］.纤维复合材料，2005，2：6-7，18.

［2］路明坤，张惠.树脂基复合材料模压工艺加压时机优化研究［J］.纤维复合材料，2005，34（1）：34-36.

［3］Leng.J.S，Asundi.A.Real-time Cure Monitoring of Smart Composite Materials Using Extrinsic Fabry-Perot Interfero-meter and Fiber Bragg Grating Sensors［J］.Smart Mater Struct，2002，11（2）：249-255.

［4］Vacher.S，Molimard.J，Gagnaire.H，et al.A Fresnel’s Reflection Optical Fiber Sensor for Thermoset Polymer Cure Monitoring［J］.Polymers&Polymer Composites，2004，12（4）：269-276.

［5］Antonucci.V，Giordano.M，Cusano.A，et al.Real Time Monitoring of Cure and Gelification of a Thermoset Matrix［J］.Composites Science and Technology，2006，66（4）：3273-3280.

［6］Tserpesa.K.I，Labeasb.G，Papanikos.P，et al.Strength Prediction of Bolted Joints in Graphite/epoxy Composite Laminates［J］.Composites:Part B，2002，33（3）：521-529.

［7］Grant.J，Kaul.R，Taylor.S，et al.Distributed Sensing of Carbon-epoxy Composites and Composite Wound Pressure Vessels Using Fiber-Bragg Gratings［J］.SPIE，2003，5050:187-196.

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，黑龙江哈尔滨人，博士，工程师，主要从事工业产品工艺研究。