光纤布拉格光栅监测CF3052/5224复合材料成型过程研究

张金栋，于海涛，李 龙，王庆有，魏 鹏，肇 研

(1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191;2.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066;3.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

聚合物基复合材料具有比强度、比模量高，耐疲劳性好，阻尼减震性好，结构功能一体化以及可设计性等诸多优势，在航空领域的应用愈发广泛［1－2］.

热压罐成型是一种广泛用于成型先进复合材料结构的工艺方法，其优点在于固化过程中能够提供均匀的温度和压力，模具相对简单，是航空复合材料构件最主要的成型手段［3－4］.然而，复合材料结构固化成型时，温度和内应力对结构和性能的影响较大，传统工艺过程控制无法对其进行实时监测和反馈，因此，带有一定的经验性和不确定性［5－7］.为保证成型工艺的科学性，有必要对温度和应变进行实时监测，这将对制品的质量控制和性能分散性的降低具有积极意义.

用光纤进行复合材料固化过程的实时监测是国内外的研究热点.大量研究表明，光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感器，具有直径小，对结构铺层、力学性能影响小，灵敏度高，耐高温，测量温度、应变范围宽等优势，适合埋植入复合材料构件进行固化监测.如MARTY等［8］将玻璃纤维/环氧树脂复合材料固化过程分为6个阶段，对每个阶段温度和应变的变化规律进行了严格的讨论;KANG等［9］使用光纤布拉格光栅/法布里－珀罗干涉仪(FBG/EFPI)联合传感器，对单向铺层层板、对称和非对称正交铺层层板进行固化监测研究，得到了铺层形式导致应变各向异性的结论;万里冰等［10］对T300/环氧5222A单向和正交铺层复合层板进行固化监测研究，验证了这一方法的可行性并获得正交层板内的残余应变;周玉敬等［11］研究了T700/双马5429复合层板拉伸试验过程中的内部应变.

本文将对CF3052/5224碳纤维织物增强环氧树脂复合材料平板件和T型件的热压罐固化成型工艺进行监测.采用毛细钢管的封装方式，制成FBG温度传感器，并根据FBG的传感原理，将温度传感器与裸栅同时埋植入复合材料内部，以达到同时检测温度和应变的目的.

1 实验

1.1 原材料及仪器设备

CF3052/5224碳纤维织物增强环氧树脂预浸料，北京航空材料研究院.预浸料用干态织物的物理性能如表1所示，预浸料的物理性能如表2所示.

表1 CF3052干态织物的物理性能

表2 CF3052/5224预浸料的物理性能

光纤布拉格光栅，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院.表面涂覆聚酰亚胺保护层，以防止光纤折断，具体性能参数如表3所示.实验中所用的仪器设备如表4所示.

表3 FBG传感器的性能参数

表4 仪器设备

1.2 固化工艺

本实验中预浸料的固化工艺为:以1.5℃/min的升温速率，从室温升温至140℃，恒温0.5 h;随即加压至0.6 MPa，同时继续升温至180℃，恒温2 h.而后，自然冷却降温至室温，泄压出罐，脱模.

1.3 光纤光栅埋植方案

1.3.1 平板件

预浸料尺寸为340 mm×240 mm，铺层为［0°/90°］16，在第8 层和第 9 层间沿 0°方向，在中心区域平行铺放两根光纤光栅传感器，一根为封装后的光纤光栅传感器，用于监测固化过程中的温度变化，另一根为未封装的光纤光栅，可监测固化过程中温度和应变变化的总和，采用温度传感器补偿后，即可用于监测固化过程中的应变变化.两根光纤传感器刻栅区的铺放间距约为0.5～1 cm，如图1所示.

1.3.2 T 型加筋板

T型加筋板广泛用于航空航天、船舶、潜艇等的翼面结构及壳体结构中.其三角填充区在热压成型过程中最易产生缺陷.因此，有必要在该区域埋植光纤光栅，对其成型过程进行监测.

预浸料尺寸为340 mm×240 mm，铺层为［0°/90°］16，将一根封装光栅和一根裸栅(间距0.5～1 cm)，埋植在T型加筋板三角填充区域，如图2所示.

图1 平板件光纤光栅埋植示意图

图2 T型加筋板三角区域光纤光栅埋植示意图

1.4 光纤光栅的封装及温度标定

根据耦合模理论［12－16］，在周期性的光纤布拉格光栅中，被反射的布拉格波长可由折射率和周期表示为

式中:neff代表纤芯的有效折射率;Λ代表光纤光栅的周期.

当一束宽带光射入布拉格光栅时，符合上述光栅谐振条件的窄带频谱将被反射回来，当外界的物理量如压力、温度、声场作用在光纤光栅上时，有效折射率和光栅周期都会受到影响而发生改变，从而使布拉格波长发生偏移.若检测出这一参量的变化，便可知影响其变化的外界参量信息.

由于光纤光栅的谐振波长对应变和温度的变化是交叉敏感的，若温度和应变同时改变，光纤光栅传感器将不能区分两种信号.反射波长变量与温度、应变变量的函数关系为

在固化过程中，裸栅能同时监测到温度和应变信息，通过温度传感器测得的温度信息对裸栅进行补偿，即可得到应变信息.

采用毛细钢管封装的方法对光纤光栅温度传感器进行封装，以屏蔽温度传感器的应变敏感问题.封装示意图如图3所示.

为检验封装的可靠性，使用标准应变校准装置，对全部经封装的温度传感器进行了应变测试，测试结果如图4所示.封装合格的温度传感器将监测不到应变信号.

图3 光纤光栅封装示意图

图4 温度传感器的应变检测

使用温箱加热的方法，在室温到150℃的温度范围，对光纤光栅进行温度标定，结果如图5所示.从图5可以看出，光纤光栅的温度响应呈良好的线性相关性.经拟合可以得出光纤光栅的初始波长为1 544.704 3 nm，温度系数为0.010 97 pm/℃.

图5 光纤光栅的温度标定

2 结果与讨论

2.1 温度监测结果分析

CF3052/5224复合材料平板件的温度监测结果如图6所示.从图6可以看出，在初始升温阶段和第一个恒温阶段，光纤光栅所监测的温度较热电偶给出的温度存在一定的滞后，这是由于热传递所致.经过第一个恒温阶段后，继续升温两条曲线逐渐重合.在第二个恒温阶段，光纤光栅所给出的温度高出热压罐内的温度，这是由于树脂固化放热所致.在自然冷却的前半段，两者降温速度差别不大.同样由于热传递的原因，罐内温度下降较快，但由于热电偶固定在较大体积的钢模具上，故在自然冷却的后半段，热电偶所给出的降温速率反而变低.以上规律同样适用于T型件.

图6 CF3052/5224复合材料平板件温度监测结果

根据以上讨论，材料内部的实际温度与热压罐内温度不完全吻合，即所制定的固化工艺并不完全符合材料成型过程中的实际情况.如图6可以将升温过程分为3个不同升温速率的阶段，对每个阶段的数据进行线性拟合，可以得出材料内部实际的升温速率，如表5所示.

表5 材料内部实际升温速率的线性拟合结果

由表5的拟合结果可以看出，材料内部的实际升温速率较固化工艺制定的升温速率(1.5℃/min)低，在第一个恒温阶段有限的恒温时间内，材料内部的温度也达不到理想的恒定状态.使用旋转流变仪，依照表5拟合的实际升温速率，对基体树脂进行升温流变性能测试，结果如图7所示.

图7 实际升温速率下环氧5224树脂的流变测试结果

由图7结果可以更准确地确定加压时机，使其更符合材料内部的实际情况.而按照预先制定的工艺制度，加压点选在热电偶显示温度到达140℃后30 min.显然，由于热电偶对温度监测结果存在偏差，造成加压点的选择偏早，可能导致复合材料一些成型缺陷的出现.

2.2 应变监测结果分析

2.2.1 平板件

CF3052/5224复合材料平板件的应变监测结果如图8所示.从图8可以看出，在A阶段，温度以恒定的速率升高，由于树脂的黏度随温度的升高而不断下降，光纤光栅受树脂流动、纤维滑移的扰动，应变监测值在零点附近波动.在B阶段，由于热膨胀的原因，树脂呈正应变状态，中间有一点的突降，是由加压引起的.在C阶段，树脂发生交联反应，应变响应表现为两种效应竞争的结果，一方面由于树脂部分交联导致收缩，另一方面则是升温导致体积膨胀.在D阶段，交联反应完成，树脂成为不溶不熔的三维网络结构固体，体积随温度升高而膨胀，呈正应变状态.在E阶段，温度恒定，但由于树脂进一步交联导致体积收缩，呈负应变状态.在F阶段，应变随树脂的冷却收缩而向负方向增大.冷却至G阶段，应变值又出现了明显的波动，有研究表明［8］，这是由于冷却收缩造成光纤比较严重的弯折，使光纤光栅的中心波长发生移动，从而影响了光纤光栅的应变响应.

图8 CF3052/5224复合材料平板件应变监测结果

2.2.2 T 型加筋板

CF3052/5224复合材料T型加筋板三角填充区的应变监测结果如图9所示.从图9可以看出，与平板件类似，在A阶段，应变监测值在零点附近波动，略向负方向移动.在B阶段，升温导致体积膨胀，应变向正方向增大.在C阶段，树脂发生交联反应，应变向负方向移动.在D阶段，树脂的体积膨胀，呈正应变状态.在E阶段，温度完全稳定，应变也保持不变.

在F阶段出现了与平板件不同的情况，即在应变减小到一定程度时，出现了突然的“回弹”现象.这可能是由于三角填充区域预浸料难以压实，层间粘结不紧密.通常情况下，光栅通过与树脂紧密粘结，当树脂发生应变时，光栅同时发生应变，并传递出应变信号.在降温阶段，收缩过程中应变量达到某个较大值，作用在光栅上的收缩应力超过了预浸料层间树脂对光纤的粘结作用，造成光纤的滑脱，光纤所受的压应力瞬间得到释放，从而出现应变的“回弹”现象.平板件未出现应变“回弹”，而三角填充区出现应变“回弹”现象，这从另一个角度说明了三角填充区是容易产生制造缺陷的区域.根据前述分析，“回弹”现象说明树脂与光栅粘结不够紧密，这可能与固化过程中树脂作用在光纤上的压力有关，固化过程中作用在预浸料上的压力偏小，导致埋植在内部的光栅与树脂结合不紧密.而这些压力是由固化过程中罐体内压力施加及预浸料层间压力传递所带来，压力施加不均匀或层间压力偏小，容易造成成型后的分层缺陷，若是由于在树脂流动阶段压力过小，则可能会导致树脂流动受阻，气泡无法随树脂流动排除，孔隙率过高的缺陷.

图9 CF3052/5224复合材料T型加筋板三角填充区应变监测结果

3 结论

1)采用毛细钢管的封装方法，可以制备完全屏蔽应变信号的温度传感器，温度监测结果表明，复合材料内部的温度较热压罐内温度存在滞后.应变监测结果反映了复合材料成型过程中基体树脂固化收缩和热胀冷缩两种效应的作用.T型加筋板三角填充区，在自然冷却阶段出现应变“回弹”现象，可能是由于树脂在大幅度收缩时与光纤光栅的粘结遭到破坏，反映了该区域易出现富树脂及分层等缺陷的原因.

2)传统的复合材料成型工艺控制由于无法获得材料内部的实际温度，无法根据实时监测结果确定最佳的加压时机，易造成复合材料出现成型缺陷.光纤光栅可以监测成型过程中材料内部的实时温度和应变，确定最佳的加压时机，预测缺陷出现的风险，从而达到精确控制成型工艺过程，提高复合材料质量和性能的目的.

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