一種連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，特別涉及一種纖維復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度和比模量高、耐化學(xué)腐蝕性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、艦船、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料密度僅約為1.6g/cm3、性能優(yōu)越，預(yù)計(jì)將成為汽車(chē)、飛機(jī)的主要材料之一。
[0003]熱固性復(fù)合材料的物理機(jī)械性能受固化過(guò)程影響顯著，其固化過(guò)程涉及熱傳遞、物質(zhì)轉(zhuǎn)變及交聯(lián)反應(yīng)等化學(xué)及物理變化，如果是非均勻的，則往往會(huì)引起復(fù)合材料固化變形問(wèn)題。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)對(duì)復(fù)合材料變形影響明顯，所以復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是材料選擇和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要性能參數(shù)之一。
[0004]纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是由兩種或兩種以上熱膨脹系數(shù)不同的材料復(fù)合而成的，熱膨脹系數(shù)隨復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)和測(cè)試方向的不同而改變。特別值得關(guān)注的是，完全不同于樹(shù)脂熱脹特點(diǎn)的碳纖維軸向熱縮特點(diǎn)、鋪層方向和序列的多樣性特點(diǎn)協(xié)同導(dǎo)致了復(fù)合材料的熱膨脹行為各向異性。纖維復(fù)合材料的最大特色就是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，通過(guò)設(shè)計(jì)、檢測(cè)、計(jì)算各種鋪層方向和順序的復(fù)合材料在不同方向上的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而建立熱膨脹系數(shù)和鋪層方向、鋪層順序之間的量化關(guān)系模型，就可以設(shè)計(jì)、制造所需的特定熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料。
[0005]早期，研宄人員采用多種方法計(jì)算、檢測(cè)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，其中包括光學(xué)干涉法、機(jī)械法。但是這些常規(guī)方法難以在復(fù)合材料制造和使役的整個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，或只能用于檢測(cè)在非惡劣環(huán)境下使用且具有較大熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)熱膨脹系數(shù)檢測(cè)裝置相比，光纖傳感器體積小、靈敏度高，具有本質(zhì)安全、電絕緣、抗腐蝕、耐高低溫、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以較為方便地埋入預(yù)浸料或干態(tài)纖維織物中，在復(fù)合材料制造和使役的整個(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)方面，具有其他方法無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)。
[0006]目前，根據(jù)FBG傳感器的一系列優(yōu)點(diǎn)，研宄人員采用FBG傳感器進(jìn)行固化過(guò)程監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)地直接獲取材料內(nèi)部的溫度狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)；通過(guò)設(shè)置溫度補(bǔ)償參考光柵，測(cè)得FBG傳感器只受溫度影響時(shí)中心波長(zhǎng)的變化；進(jìn)而在固化結(jié)束后的降溫階段通過(guò)應(yīng)變-溫度擬合直線(xiàn)的斜率求出復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。但是，固化成型過(guò)程中復(fù)合材料不可避免地受到模具的約束，此時(shí)復(fù)合材料的熱脹冷縮不是自由的體積變化狀態(tài)，因此得到的熱膨脹系數(shù)是失真的。此外，柵區(qū)部位為測(cè)量敏感部件，脆弱易斷，一旦光柵的柵區(qū)折斷就會(huì)造成無(wú)檢測(cè)信號(hào)；還須對(duì)其適當(dāng)保護(hù)，使其盡量不受剪切力。
[0007]為了保證FBG傳感器能有效地對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，使研宄人員對(duì)固化變形及熱致翹曲問(wèn)題有更為清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而使先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料能更為安全可靠地應(yīng)用于更多領(lǐng)域，研制利用光纖Bragg光柵測(cè)試復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的裝置意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的不足而提供一種連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的精確測(cè)試，同時(shí)解決FBG傳感器在檢測(cè)纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)時(shí)脆弱易斷的問(wèn)題。
[0009]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0010]一種連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料各向異性熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法，包括步驟如下:
[0011](I)復(fù)合材料樣品的制作:在模具型腔中鋪設(shè)一層層的樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料，并在其中的兩個(gè)預(yù)浸料層上分別鋪設(shè)光纖Bragg光柵串；預(yù)浸料的層數(shù)為N多20，具體的N值根據(jù)復(fù)合材料樣品厚度以及單層預(yù)浸料厚度來(lái)計(jì)算，其中在第η層(Ν-10>η > 5)沿著纖維方向(0°方向)鋪設(shè)多個(gè)光纖Bragg光柵串，在第n+i層(N-14彡i > 5)在垂直纖維方向(90°方向)上鋪設(shè)多個(gè)光纖Bragg光柵串，在垂直纖維方向上鋪設(shè)的光纖Bragg光柵串上還需用小片樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料上下包埋光柵區(qū)；在模具側(cè)壁框板上設(shè)有引線(xiàn)溝槽，在模具側(cè)壁框板及引線(xiàn)溝槽表面覆有耐高溫的高分子薄膜，光纖Bragg光柵串的引線(xiàn)從模具側(cè)壁框板的引線(xiàn)溝槽中引出，按照預(yù)浸料制造廠規(guī)定的工藝規(guī)范固化成型復(fù)合材料，然后脫豐吳;
[0012](2)測(cè)試:把脫模后的復(fù)合材料放入高低溫恒溫箱并兩端簡(jiǎn)支，把光纖Bragg光柵串的引線(xiàn)從高低溫恒溫箱的開(kāi)口中引出并接入光纖光柵解調(diào)儀，密封恒溫箱，按照測(cè)試規(guī)范升溫，同時(shí)實(shí)時(shí)采集光纖Bragg光柵串的柵區(qū)的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；
[0013](3)數(shù)據(jù)處理:處理實(shí)時(shí)采集到的柵區(qū)的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，得到光纖Bragg光柵串的柵區(qū)的中心波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，進(jìn)而根據(jù)高低溫恒溫箱的溫度-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)得到光柵中心波長(zhǎng)-溫度關(guān)系曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)的斜率即是FBG光柵的溫度靈敏系數(shù)；通過(guò)光柵中心波長(zhǎng)變化量和微應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步得到微應(yīng)變-溫度關(guān)系曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)的斜率就是復(fù)合材料在該光柵方向上的熱膨脹系數(shù)。
[0014]上述測(cè)試方法中步驟(I)所述的小片樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料中的纖維方向與光纖Bragg光柵串方向相同以起到保護(hù)光柵區(qū)的目的，同時(shí)又不影響復(fù)合材料在該光柵位置的90°方向熱膨脹系數(shù)；還應(yīng)注意光柵區(qū)不能設(shè)置在0°和90°方向光纖Bragg光柵串的交叉點(diǎn)上。所述的單層樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料厚度為0.1?0.4_。預(yù)浸料的裁切形狀和尺寸可以根據(jù)成型復(fù)合材料形狀、尺寸及力學(xué)性能要求進(jìn)行調(diào)整。所述的檢測(cè)應(yīng)變的光纖Bragg光柵串上分布3?5個(gè)柵區(qū)。尾纖使用特氟龍管進(jìn)行保護(hù)，使光纖Bragg光柵串可在-80°C?280°C的范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。用作保護(hù)光柵區(qū)的小片樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料厚度和整片預(yù)浸料厚度相同，形狀為矩形，尺寸為長(zhǎng)度20?30mm、寬度5?10mm。光纖Bragg光柵串的鋪設(shè)位置可以根據(jù)所需檢測(cè)的復(fù)合材料具體部位的熱膨脹系數(shù)而調(diào)整，但應(yīng)注意0°和90°方向光纖Bragg光柵串之間至少間隔5層預(yù)浸料以避免兩者之間相互干涉，而且光柵區(qū)不能設(shè)置在0°和90°方向光纖Bragg光柵串的交叉點(diǎn)上。單層耐高溫的高分子薄膜厚度為0.1?0.3_。所述的高分子薄膜可以是聚酯膜、玻璃紙、聚四氟乙烯膜等一種材質(zhì)的多層膜，也可以是多種材質(zhì)的高分子薄膜的組合。在固化工藝中通過(guò)模具對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行熱壓成型，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的固化成型；熱壓成型工藝根據(jù)需要來(lái)設(shè)定，例如:首先從室溫升溫至80°C，保溫30分鐘，然后升溫至130°C，保溫60分鐘；兩個(gè)階段的壓力均為0.5Mpa。
[0015]上述步驟(2)中高低溫恒溫箱內(nèi)有一開(kāi)口并帶有橡膠塞，保證在光纖Bragg光柵串的引線(xiàn)能從高低溫恒溫箱內(nèi)順利引出的同時(shí)整個(gè)恒溫箱密封性良好。高低溫恒溫箱優(yōu)選初始溫度為20-30°C，在溫度達(dá)到20-30°C之后，將測(cè)試樣品放入高低溫恒溫箱中并且兩端簡(jiǎn)支，保溫30分鐘；隨后開(kāi)始按特定升溫速率升高溫度，且溫度每升高10°C，保溫30分鐘，直至達(dá)到預(yù)定溫度(如110°C )保溫30分鐘，然后降溫至室溫。
[0016]本發(fā)明有益的效果是:
[0017](I)本發(fā)明裝置對(duì)90°方向的光纖Bragg光柵串用同向小片預(yù)浸料上下包埋，不僅可以保護(hù)光柵區(qū)而且能夠避免引入測(cè)試系統(tǒng)誤差，還通過(guò)光纖Bragg光柵串埋入位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了 FBG傳感器在檢測(cè)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)時(shí)柵區(qū)部位抗剪切性