内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

周玉敬，刘 刚,胡晓兰,任明伟，范广宏

(1 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 先进成型技术与装备国家重点实验室，北京 100083；2 中国航发北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京 100095；3 厦门大学材料学院 福建省防火阻燃材料重点实验室，福建 厦门 361005；4 东华大学 先进低维材料中心，上海 201620)

碳纤维复合材料因其比强度、比模量高及抗疲劳、可设计性好等优点，在航空航天等各个领域得到广泛应用[1-2]。特别是复合材料加筋板结构，因其具有结构承载效率高、比刚度大、设计灵活等优点，成为航空航天等结构中常用的部件[3-4]。但在复合材料构件固化成型过程中，在材料内部容易产生热残余应力，会导致复合材料性能下降。同时，由于复合材料自身的层合结构特点，在受到低速冲击时，极易产生表面不可见的分层和裂纹等内部损伤。作为主承力结构的加筋板，在服役过程中低速冲击产生的内部损伤可能产生局部屈曲，导致复合材料加筋板压缩承载能力大大下降[5-6]。因此，实现复合材料构件在固化过程及使用过程中结构损伤状态的实时监测，对提高复合材料构件可靠性具有重要意义[7-8]。

布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)传感器外形尺寸较小，容易被埋入复合材料结构内部，且与复合材料兼容性好，被越来越多地应用于复合材料的在线监测[9-13]。Hu等[14]将FBG传感器埋入复合材料层压板层间，通过比较埋植于第一层和第五层的FBG传感器测得的固化残余应变，优化复合材料的固化工艺参数。Mulle等[15]将多根FBG传感器埋入复合材料层压板内部，通过埋植于不同层间的FBG传感器测得的应变值及应变率，分析复合材料层压板内部损伤状态。耿湘宜等[16]分别在层合板0°和45°方向埋入FBG传感器，实时监测复合材料的固化过程。杨建良等[17]将光纤传感网络埋入飞机复合材料垂直尾翼中，实时监测外部冲击造成的内部应力及损伤状态。复合材料中碳纤维的直径一般为5～10 μm，但是常用的FBG传感器直径在150～250 μm之间，因而植于复合材料层压板内部的FBG传感器达到一定数量后，会对复合材料层压板的内部结构及力学性能产生一定的负面影响[18-21]。

本工作将FBG传感器引入到复合材料加筋板的三角填充区(即结构非干涉区)，在不影响复合材料结构性能前提下，在复合材料加强筋结构中引入具有动态传感功能的FBG传感器，实时监测复合材料加筋板的固化过程及载荷响应信号。利用埋入加筋板内部的FBG传感器，实现了对复合材料T型加筋板的固化过程及准静态压缩过程的应变变化的实时监测。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

复合材料层压板和T型加筋板的材料为中航工业复合材料技术中心的CCF300/5228A碳纤维增强环氧树脂预浸料，采用热压罐成型工艺制备，固化工艺如图1所示。复合材料层压板铺层顺序为[45°/0°/-45°/90°]s，复合材料T型加筋板铺层顺序见表1。加筋板尺寸及FBG传感器(沿0°纤维方向)埋植位置见图2。

图1 加筋板固化温度曲线

表1 复合材料T型加筋板的铺层顺序

图2 复合材料T型加筋板结构示意图

1.2 实验方法

复合材料T型加筋板压缩实验和准静态压缩实验在INSTRON8803型试验机上进行(见图3)。准静态压缩实验采用简支实验方式，把加筋板试件放在支持夹具上，确保试件的中心和压头中心线成一直线，压头位移速率为0.3 mm/min。在加载过程中利用布拉格解调仪(型号1ZH100，最大解调频率为1000 Hz)采集准静态压缩过程中FBG传感器信号，FBG传感器应变灵敏度系数为1.2 pm/με。

图3 复合材料T型加筋板压缩和准静态压缩测试

2 结果与分析

2.1 FBG传感器埋植对加筋板压缩性能的影响

将FBG传感器沿平行筋条方向埋植在加筋壁板的三角填充区，引出方式如图4所示。

图4 FBG传感器引出方式示意图

FBG传感器的埋植对加筋板压缩性能的影响如图5所示。未埋植FBG传感器的复合材料加筋板的压缩破坏载荷为286.7 kN，而三角填充区埋植FBG传感器的复合材料加筋板压缩破坏载荷为285.3 kN，两者基本相当。

图5 FBG传感器的埋植对复合材料加筋板压缩性能的影响

图6为埋植FBG传感器的复合材料加筋板压缩破坏形貌。由图可见，埋植FBG传感器的加筋壁板，在压缩载荷作用下，屈曲破坏位置在加筋板中间，并未在FBG传感器引出位置发生破坏，FBG传感器对加筋板压缩性能基本无影响。

图6 埋植FBG传感器的复合材料加筋板压缩破坏形貌

2.2 FBG传感器对加筋板的固化过程监测

将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区，利用光栅解调仪监测复合材料固化过程中FBG传感器波谱的中心波长变化(如图7(a)所示)。随着固化温度的升高，FBG传感器的中心波长逐渐增大，在130 ℃恒温固化阶段，其中心波长基本保持不变；在130～180 ℃升温阶段，中心波长随着温度升高逐渐增大；在180 ℃恒温固化阶段，中心波长有少量减小；在固化后的降温阶段，传感器的中心波长逐渐降低；在温度降至100 ℃左右(固化工艺过程进行7 h左右)，FBG传感器波长有振荡变化。

在第一个升温及130 ℃恒温阶段，随温度升高树脂黏度逐渐降低呈黏流态，作用在FBG传感器上的应力也较小，FBG传感器的反射中心波长呈现正应变状态。在180 ℃恒温固化阶段，树脂发生交联反应，其分子呈现出三维网络结构，绝大多数热固性树脂都会在此时发生固化体积收缩，导致复合材料内部出现化学残余应力[22-23]。对于采用蒙皮筋条共固化成形的加筋板，加筋板的三角填充区会产生压应力[24]。在降温阶段，FBG传感器所表现出的反射中心波长的减小，主要来自于温度的降低。在100 ℃以上，复合材料尤其是树脂基体仍然处于受热膨胀状态，树脂的黏弹性可以起到松弛固化残余应力的作用，产生的热残余应力较小。由于纤维与树脂热膨胀系数不匹配以及固化后筋条填充区内产生的压应力，在温度降至100 ℃左右时，复合材料内部产生较明显的热残余应力，从而导致FBG传感器的中心波长发生振荡漂移。

针对同一个加筋板试样，按照相同的固化曲线放置于烘箱中进行热时效处理，FBG传感器波谱的中心波长变化如图7(b)所示。从图中可见，在第一个升温及130 ℃恒温阶段，FBG传感器的中心波长逐渐增大，但在180 ℃恒温固化阶段过程中FBG传感器的中心波长保持基本不变。这主要是由于树脂基体在第一次固化过程已经完全固化，不再产生固化体积收缩，因而FBG传感器的中心波长保持不变，且在降温过程中FBG传感器的反射中心波长一直处于负应变状态，曲线并未出现振荡。

图7 埋植于加筋板的FBG传感器中心波长

从图7(b)中还可以看出，热时效过程中在130 ℃恒温和180 ℃恒温阶段，起始阶段中心波长有浮动。这主要是由于热时效过程中加筋板直接暴露于烘箱中，热量可以很快地传递到材料内部，由于热风循环烘箱温度偏差，导致FBG传感器的中心波长在升温阶段到保温阶段的前期会有一个小幅振荡。而在固化过程(见图7(a))中由于加筋板表面有金属模具，此时热量还没完全传递到材料内部，FBG传感器中心波长则未出现小幅振荡现象。

图8为固化前后及热时效前后FBG传感器反射图谱。由图可见，固化前后及热时效前后FBG传感器的波谱形状均未发生变化，仅中心波长发生偏移，固化后FBG传感器的中心波长比固化前波长偏小0.252 nm，即固化过程中加筋板内部产生的残余压应变值为210 με，热时效处理后中心波长增加0.065 nm，释放了约50 με的残余压应变。究其原因，是在热时效过程中180 ℃恒温阶段，高温下树脂的黏弹性释放了复合材料内部的部分残余应力。

图8 FBG传感器反射图谱

2.3 FBG传感器对T型加筋板准静态压缩过程的监测

将FBG传感器埋植在复合材料加筋板三角填充区内，在位移控制状态下对试件施加准静态压缩载荷，直至加筋板蒙皮发生穿透破坏。准静态压缩过程中加筋板接触力F和压头位移D响应如图9所示。由图可见，曲线在出现第一次跳跃点之前，接触力-压头位移曲线基本是线性的。当压缩时间约为171 s时，曲线出现一个较小的下降段，此时复合材料内部开始出现分层、开裂等损伤，复合材料层板的弯曲刚度下降，对应的接触力-压头位移曲线出现第一次跳跃。随后，接触力随着压头位移增加而增大，层压板内分层等损伤不断扩展，准静态压缩载荷曲线分别在压缩时间约201，224，249，307，327 s和350 s时出现小的跳跃。FBG传感器测得的应变变化如图10所示。由图可见，在准静态压缩过程中，FBG传感器测得的应变变化曲线分别在压缩时间约171，201，224，249，307，327 s和350 s时出现下降段，变化趋势与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致，说明埋植于加筋板三角填充区的FBG传感器能够准确地实时监测加筋板在准静态压缩过程中的应变变化以及复合材料内部出现的分层、开裂等损伤状态。

图9 准静态压缩过程中接触力-压头位移响应

图10 准静态压缩过程中FBG测得的应变值

3 结论

(1)未埋值FBG传感器的复合材料加筋板与沿平行筋条方向引出FBG传感器的复合材料加筋板的压缩破坏载荷分别为286.7 kN和285.3 kN，两者基本相当，埋植FBG传感器未明显影响加筋壁板的力学性能。

(2)FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程中的残余内应力；FBG传感器亦可用于监测固化后复合材料构件在热时效过程中的应变变化。固化前后及热时效前后FBG传感器的波谱形状均未发生变化，仅中心波长发生偏移。FBG传感器监测到固化过程中加筋板内部产生的残余压应变值为210 με，热时效处理后释放了约50 με的残余应变。

(3)在准静态压缩过程中，FBG传感器测得的应变变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致，埋植于加筋板三角填充区的FBG传感器能够准确地响应加筋板出现分层、开裂等损伤产生的应变变化。