FBG光栅对车用碳纤维复合材料的健康监测

张条兰 王花丽

摘 要：用光栅传感器对车用单向碳纤维、双轴向碳纤维复合材料进行了“健康监测”，通过拉伸实验监测了拉伸波长随时间的变化、拉伸波长随所加载荷的变化。结果表明拉伸波长与所加载荷呈线性关系，通过波长与载荷的线性关系可预估复合材料的抗拉特性。织物结构中双轴向碳纤维复合材料的监测效果较好。

关键词：布拉格光栅;复合材料;拉伸;健康监测

复合材料具有高刚度、刚强度的特点，目前被广泛应用于新能源汽车领域。在其使用的过程中，为了保证其安全性，实时监测到材料的受损程度及健康状况，传感器成为其重要的一个应用领域。目前所使用的传感器主要有：直流电（DC）传感器、介电传感器、压电传感器（PT）、超声波传感器（US）、压力分布式格栅传感器（PSDG）、光纤传感器（光强调制型光纤传感器、光纤光栅传感器）、热敏传感器等。每种传感器均各自具有不同的适应场合以及不同的优缺点[1]：（1）直流电传感器已被广泛应用;但是得到的信息受限制，只能得到节点出的信息。（2）线性直流电传感器可以检测整个导线长度方向的信息，但方向上受限制，难以准确确定垂直的带倾斜角的导线上的信息。（3）介电传感器：大多为离散式模具，体积较大，成本较高，难以探测厚度方向的信息。（4）压电传感器：这类传感器在升温中不可靠，材料硬度的适应性及其与复合材料间的粘接较差。（5）超声波传感器：可穿越材料对其进行厚度上的监测，但声发射易受环境的干扰。（6）热敏传感器：是一种具有温度敏感性的半导体电阻。热电阻的电阻值随温度变化而变化，半导体陶瓷热敏电阻是负温度系数，温度越高电阻值越低，铜热电阻和铂热电阻是正温度系数，温度越高电阻值越高。其体积小，热惯性小，灵敏度高，成本低，耐用，在复合材料工艺中已成功地应用于固化度、流动前沿及渗透率的测量，这类传感器简单，且易进行树脂流动的监控。因此，本文提出了FBG（布拉格光栅）光纤传感监控技术，FBG传感器体积小、纤细轻柔、便于布设、与待测材料的相容性好，灵敏度高、耐腐蚀、化学稳定性好，可以对材料的性能做以实时监测，进行全方位监测，并可提高材料健康监测的有效性及实时性。车用复合材料形成过程中，残余应力的存在会大幅度降低材料性能，导致复合材料基体裂开、疲劳性能低以及脱层等现象，因此，用传感器监测技术对树脂固化过程及产生的残余应力进行实时监测，了解其变化历程，通过适当调整工艺条件优化工艺参数具有很大的实际意义。

1 光纤布拉格光栅传感器的原理

布拉格光栅（FBG）是光纤波导介质纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光栅。它是一种波长选择反射器，所反射的波长称为布拉格中心波长[2]。以布拉格中心波长作为光纤光栅的特征值，光栅制作成型后，中心波长随之确定。

光纤光栅周围的温度场和作用在光纤光栅上的应变是两个能够直接导致布拉格中心波长漂移的物理量。当传感器只遭受应变时，特征波长的偏移与光栅所承受的应变函数关系式比较简单，通过波长的偏移量即可方便准确地得到光栅所处位置的应变值，并且所测得的波长与应变值呈线性关系。

将光纤布拉格光栅（FBG）埋入复合材料中，用一宽带光源对其发出光信号。当材料中产生应变或正温度变化时，光栅反射的波长将发生改变。将接受到的信号通过解调装置处理后输出，即得到波长的变化，从而得到温度、应变等物理量的变化。光纤传感器埋入复合材料中，用于监测材料的温度和应变等物理量变化，从而监测材料的成型过程和其成型后的健康情况。

2 复合材料进行拉伸性能的监测

拉伸监测：（将包埋有光栅的复合材料成型体进行拉伸）当复合材料的应变或应力超过其最大应变和应力时，材料即会失效。在单向拉伸时，主要载荷由轴向纤维束来承担，这时的横向纤维束几乎不受力，因而轴向纤维束的失效会引起较大的载荷降，导致材料的最终失效。虽然在材料失效前，基体会有少许开裂，但基体对材料的拉伸强度没有太大的影响。当光纤光栅传感器沿纤维轴向编入时，可把光线视为性能弱化的轴向纱，而且根据光纤的特点不会对材料性能产生太大的影响，这样就可以由光栅的失效及光栅所测应变的大小来判断材料结构内部失效及应变大小。光栅对材料的相容性较好，能对材料的内部健康状况和使用状况进行实时监测，对车用复合材料的使用状况提供了重要的依据[3]。

2.1 实验材料

玻璃板、真空袋、密封胶带、真空泵、三通、塑胶管、螺旋管、单轴向炭纤维织物、双轴向炭纤维织物、切割机、WDW-100型微机控制电子万能试验机、光纤传感系统。

2.2 实验过程

清洁模具—贴脱模纸—贴密封胶带—铺放织物及光纤—密封—抽真空—充树脂—固化—脱模—切割。

采用WDW-100型微机控制电子万能试验机测试，依据GB/T 1447-2005中的Ⅱ型试样形式进行加工为矩形;样品尺寸250 mm×25 mm，拉伸速率为5 mm/min。

其中，第三步先贴好密封胶带的目的是，在下一步布设光纤时能使光纤粘在胶带上，初步固定其在材料中的位置。

2.3 实验结果

2.3.1 拉伸过程波长随时间的变化

单向碳纤、双轴向碳纤复合材料在拉伸的过程中波长随时间的变化方向是一致的。当未加载荷时，光栅不受外力的作用即监测到的波长保持不变。当开始加载时，光栅的波长相应增大，而且呈较好的线性关系;当所加载荷达到一定程度时，达到复合材料所承受的载荷极限值，当所加载荷达到极限值时，监测到光栅的波长急剧下降，即材料内部的结构发生破坏，光栅也随之受到破坏，光栅失效。此阶段可通过波长的变化来判断材料何时失效及所能承受的最大载荷。在整个实验过程当中，双轴向碳纤维复合材料在拉伸的过程中，波长随时间变化的线性关系最明显，这与复合材料织物的组成与结构有关，即可以更有效精确地判断试件何时失效及所承受的载荷极限。

2.3.2 拉伸过程波长随载荷的变化

单轴向炭纤维与双轴向炭纤维复合材料成型体FBG传感器监测到外加载荷与波长皆呈较好的线性关系，且随着载荷的增加波长相应的增加，双轴向碳纤维复合材料的线性最好。这可能与纤维织物的结构有关，双轴向炭纤无纱线捆绑，两个方向上都有同样的增强纤维束，使其复合材料呈现良好的抗拉性能。即通过埋设于复合材料内部的光纤布拉格光栅传感器对复合材料内力学结构变化进行实时监测，通过载荷与波长的线性变化可实现复合材料内部的应力应变监测，同时根据光纤的拉伸时间与失效位置来预估试件的抗拉特性以及判断所测试件何时何处失效。因此，埋入的与复合材料相容性较好的FBG传感器可以实时地监测到材料内部结构的力学变化，通过波长与载荷的线性变化来实现复合材料内部所受载荷大小的估算。

3 结论

从总体上来讲，FBG能有效并且实时不同织物复合材料的健康状况进行监测，监测的过程中有较高的灵敏度和分辨率，可较精确地进行材料内部应力应变状况的监测及材料抗拉性能的估测。从实验结果看出双轴向碳纤维复合材料抗拉性能较好，拉伸过程载荷与波长呈明显的线性关系，根据此良好的线性关系可对复合材料的健康状况进行监测。为碳纤维复合材料在新能源汽车中应用提供了重要理论依据。

参考文献：

[1]宋志强，祁海峰，李淑娟，等.光纤光栅制作中波长拉力控制技术的[J].光学学报，2013，33（7）：1-4.

[2]高琳琳，王慶林，郭云力.复合材料基片式光纤光栅传感器的制造与性能[J].材料工程，2018，46（9）：65-72.

[3]何少灵，郝凤欢，刘鹏飞，等.温度实时补偿的高精度光纤光栅压力传感器[J].中国激光，2015，42（6）：174-178.