碳纖維復(fù)合材料中光纖光柵的植入與傳感.pdf

1、復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性好、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到建筑工業(yè)、化學(xué)化工、機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸工業(yè)、航空航天工業(yè)等。在航空工業(yè)中，飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)合材料里最主要的結(jié)構(gòu)形式是樹脂基復(fù)合材料層合板。在今后一段很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，熱固性樹脂基復(fù)合材料層合板都將是飛機(jī)機(jī)身復(fù)合材料的主體。層合板結(jié)構(gòu)因其自身特性，也存在一些弱點(diǎn)。在成型過程及使用過程中往往由于各方面原因造成缺陷與損傷。有效的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)有著重要意義。光纖

2、光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器尺寸小，易植入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與基體材料具有良好的兼容性。將FBG植入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。研究復(fù)合材料中光纖光柵的植入與傳感，對(duì)于發(fā)展復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)具有非常重要的意義。
　　 本文對(duì)真空袋壓成型工藝中植入復(fù)合材料的光纖的引出及保護(hù)方式進(jìn)行了研究。采用了端面引出的方式，解決了光纖引出保護(hù)問題。重點(diǎn)研究了復(fù)合材料對(duì)于光纖光柵傳

3、感性能的影響，最后確定了對(duì)光柵傳感影響較小的鋪層設(shè)計(jì)方式。研究表明，[02/902/FBG/902/02]鋪層形式下，復(fù)合材料固化后，植入其中的光纖光柵反射波譜變寬，在波峰附近出現(xiàn)多峰的趨勢(shì)。當(dāng)植入復(fù)合材料中的光纖光柵與碳纖維平行時(shí)，也即[04/FBG/04]鋪層形式下，除了中心波長(zhǎng)由于受到殘余應(yīng)力的作用導(dǎo)致波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)外，反射波譜變化不大，這并不影響光纖光柵傳感器后續(xù)的傳感特性。在沒有涂覆層的保護(hù)以及光纖光柵沒有經(jīng)過特殊處理的

4、情況下，光纖光柵可能出現(xiàn)多峰，甚至由于機(jī)械強(qiáng)度的下降，在固化成型過程中或者在受到外界載荷的情況下發(fā)生斷裂。
　　 將光纖光柵傳感器植入到碳纖維復(fù)合材料中，對(duì)試樣的拉伸和彎曲過程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，光纖光柵傳感器能夠正確反映碳纖維復(fù)合材料在拉伸過程中的應(yīng)變變化情況。彎曲實(shí)驗(yàn)中，分別將3個(gè)光纖光柵傳感器植入到復(fù)合材料不同層間，對(duì)彎曲過程中復(fù)合材料上部、中部、下部的彎曲狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)3個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)與撓度進(jìn)行線性擬合，發(fā)

5、現(xiàn)波長(zhǎng)對(duì)材料撓度均有良好的線性。用光纖光柵測(cè)得的曲率半徑與模擬計(jì)算得到的理論值基本穩(wěn)合，充分說明了光纖光柵傳感器在碳纖維復(fù)合材料彎曲監(jiān)測(cè)中的有效性。
　　 對(duì)光纖光柵陣列應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的傳感進(jìn)行了初步的探索，發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中，光柵陣列上的各個(gè)光柵均能反應(yīng)復(fù)合材料不同位置的應(yīng)變變化，并且具有良好的線性度。將2個(gè)光柵陣列粘貼于試樣上下表面，通過對(duì)光柵波長(zhǎng)及彎曲過程中撓度的變化進(jìn)行線性擬合，表明波長(zhǎng)與撓度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。同時(shí)