专利名称：基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料的制作方法
技术领域：
本实用新型属信息科学和材料科学交叉技术领域，特别是涉及一种基于光纤多参 量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，对于航空航天、建筑、军工、国防等需要先进复 合材料的领域具有重要意义。
背景技术：
聚合物基智能复合材料由于具有一定的智能性、高强度、抗蠕变、耐腐蚀、工艺性 能良好、适用于各种成型方法等许多优势，而广泛用于航空航天、交通运输、机械制造、建筑 及其他工业中。在该类材料的制备过程中和材料构件的使用过程中，温度和应变是需要在 线监测的重要参量。因此，聚合物基智能复合材料需要先进的传感技术。由于可实现埋入 式无损测量，并具有抗电磁干扰、灵敏度高、可测参量广泛、适于恶劣与特殊环境的要求等 许多优势，光纤传感技术已成为智能材料领域的核心和关键技术之一，用于温度、应变等重 要参量的实时、动态测量，对于复合材料制备过程工艺控制、材料构件使用过程健康状态监 测等许多方面具有不可替代的作用。基于光纤传感的智能复合材料一直是该领域国内外 的发展重点。另一方面，聚合物基复合材料在使用过程中受到外部条件如温度、冲击、电磁 等因素的影响，内部易出现微裂纹，且微裂纹通常产生在基体深处，传统技术难于检测和修 复。微裂纹的出现和扩展将引起材料整体性能下降，导致构件过早失效，最终导致材料构件 破坏。微裂纹是复合材料设备主要的安全隐患，可能带来灾难性的后果。采用自修复技术 对复合材料进行修复是一种理想的材料损伤修复技术。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有自诊断、自监测和自修复等功能 的高智能性聚合物基复合材料。从制备开始到全部使用过程(包括自修复后)，可实现材料 的温度和应变等重要状态参量的自监测、材料微裂纹的自修复、修复后材料力学性能的自 监测。其提高了材料及其构件的智能性、安全性及可靠性，这些功能对于提高材料的综合智 能性、延长材料构件使用寿命具有重要意义。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于光纤多参量传感 自监测和微胶囊自修复的复合材料，包括聚合物材料基体，长周期光纤光栅，分束器，布喇 格光纤光栅，储有修复剂的微胶囊，固化剂，在所述聚合物材料基体内，所述长周期光纤光 栅、分束器、布喇格光纤光栅依次连接；所述储有修复剂的微胶囊和固化剂分散掺入聚合 物材料基体中。所述的储有修复剂的微胶囊按占材料总质量的1. 5%的质量百分比被分散掺入聚 合物材料基体中。所述的长周期光纤光栅( 是借助高频(X)2激光器制作成的。所述的第5至第13布喇格光栅的布喇格中心波长与长周期光纤光栅的主损耗峰 值波长匹配。[0008]有益效果(1)本实用新型实现的光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的高智能性复合材 料，当材料在使用过程中出现微小裂纹时，利用材料内胶囊的自感知以及裂纹尖端的应力 集中作激励，微胶囊可自动破裂并释放修复剂，在基体中的固化剂的作用下发生聚合反应， 粘接裂纹表面，对微裂纹进行修复。这有效阻止了微裂纹的继续扩展，复合材料的使用寿命 被大大提高。(2)本实用新型利用埋入材料中的FBG作敏感元件，实现温度、应变等参量的实时 测量，对材料制备过程工艺控制、使用过程中(包括自修复后)构件健康状态监测等具有重 要意义。因敏感元件FBG为并联排布，其个数不受光源带宽的限制，原理上可在材料中埋植 无限多个FBG，实现全光纤型分布式、多个参量同时传感测量。(3)本实用新型利用长周期光纤光栅的透射谱主损耗峰单边的线性滤波功能，解 调所有传感光栅反射的被测信号，因此具有线性滤波解调的速度快、无双值问题的优点，并 且采用部分信号光作为参考光，消除了由于光源波动对波长解调造成的影响。(4)本实用新型传感和解调元件全部为光纤元件，可最大程度的减小对复合材料 基体的损伤。全部由光纤和光纤无源器件构成，使用稳定可靠。所有的元器件的工艺水平 都已经非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛用于 各种领域。
图1是本实用新型原理示意框图；图2是本实用新型长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本 实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容 之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。如图1所示，包括聚合物材料基体，宽带光源，长周期光纤光栅，IXn分束器，η个 布喇格光纤光栅，η个光电二极管，包含所有光电二极管的光电转换模块，数据采集卡，计算 机，储有修复剂的微胶囊，分散于材料基体中的固化剂。所述宽带光源2的输出光进入长周期光纤光栅3，长周期光纤光栅3的透射光经分 束器4进入各个布喇格光纤光栅5-13，各个布喇格光纤光栅5-13的透射光进入光电转换模 块14中相应的光电转换二极管，光电转换模块输出的模拟电信号被数据采集卡15采集转 换为数字电信号后被计算机16处理并显示。内储修复剂20的微胶囊19按一定浓度被分 散掺入聚合物材料基体中，当材料在使用过程中出现微裂纹18时，利用材料内胶囊19的自 感知及裂纹尖端的应力集中作激励，微胶囊19可自动破裂并释放修复剂20，在基体中的固 化剂17的作用下发生聚合反应，粘接裂纹表面，对微裂纹18进行修复。长周期光纤光栅3作解调元件，光纤布喇格光栅5-13作为传感元件。所述的长周 期光纤光栅3是借助高频(X)2激光器制作成的，其谱形稳定，主损耗峰波长随温度呈线性变化。光纤布喇格光栅6-13为普通的光纤布喇格光栅并被埋入聚合物材料中，而其中的第一 个光纤布喇格光栅5为信号参考用，其输出信号用来消除由于光源功率波动而引起的测量误差。本实用新型基于光纤光栅自监测和微胶囊自修复的聚合物基智能复合材料，所述 的布喇格光栅5-13的布喇格中心波长应与长周期光纤光栅的主损耗峰值波长匹配。本实用新型基于光纤光栅自监测和微胶囊自修复的聚合物基智能复合材料，无论 是测量温度、应变等任何一种参量，信号的传输过程是这样的宽带光源的输出光经长周期 光纤光栅3调制后，经IXn的分束器后被均分进入光纤布喇格光栅5-13，光纤布喇格光栅 5-13的透射光进入光电转换模块14中相应的光电转换二极管中，然后均进入数据采集卡 15和计算机16，最后进行数据的处理和显示。本实用新型基于光纤光栅自监测和微胶囊自修复的聚合物基智能复合材料，其信 号解调原理图2为长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱，图中虚线为布喇格光纤光栅 的反射谱，实线为长周期光纤光栅的透射谱中的主损耗峰。主损耗峰的强度下降边(或上 升边)所包含的波长范围内其光强度为线性(线性拟合误差在10-4量级)的减小(或增 大)，利用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在特定波长范围内强度为 线性变化(下降或上升)的光源(可参见图2中的最大损耗峰的单边光强变化)。经长周 期光栅调制后的光在所利用的波长范围内的光谱是线性的。使光纤布喇格光栅具有合适的波长，使其中心波长处于长周期光纤光栅透射谱的 主损耗峰线性区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图2所示。当测量应变或温度时，传 感光栅被固定于被测物体或处于被测的温度环境中，当传感光栅的波长被传感信号调制 时，其反射峰在线性区的位置发生变化，但其谱型不随被测信号改变，则反射的绝对光功率 将线性变化，因此光电探测器的光电流将线性变化，这样可解调布喇格光栅的波长变化。这 一原理与线性滤波器相似，但长周期光栅相对于线性滤波器有两点明显优势，即速度快和 代价小。材料固化前，在其构件关键部位埋入布喇格光纤光栅(Fiber Bragg grating, FBG)作为传感元件，用于材料内部多布点准分布式、多参量(包括温度和应变等)的动态 监测，实现材料的自诊断、自监测智能性，对材料制备过程工艺控制、材料性能及材料构件 使用过程健康状况的监测具有重要意义。同时，在材料中掺入微胶囊和固化剂，当材料使用 过程中出现的微裂纹时，微胶囊遇裂纹前端应力自动破裂释放修复剂，修复剂和固化剂发 生聚合反应及时修复裂纹，以防止裂纹继续扩展而出现安全隐患，实现材料的自修复智能 性。长周期光纤光栅经过温度补偿封装，其波长随温度的改变量可忽略不计，被用作传感光 栅的信号解调元件。第一个光纤布喇格光栅5FBG1作参考光路敏感元件，其信号用于消除 由光源输出功率波动和环境温度变化而引起的测量误差。FBG的透射光被对应光电二极管 (PD)接收，所有光电二极管被包含在一个光电转换模块中。PD输出的模拟电信号经放大、 模/数转换(由预置入计算机的数据采集卡完成)后输入计算机，由计算机进行数据处理 和实时显示。本实用新型的创新之处在于结合了光纤多参量传感自监测技术和微胶囊自修复 技术，研究成果将使材料的智能性更加具有优势。在自修复聚合物基复合材料中溶入光纤 多参量传感技术，弥补常见自修复材料在修复后其结构性能难于监测和评价的不足；在基于光纤光栅准分布式多参量传感技术的自监测、自诊断智能型复合材料中溶入自修复技 术，解决了传统智能材料只能诊断不能自动修复的问题。本实用新型符合智能型复合材料 等高速发展的新材料领域的应用需求，具有技术和应用两方面的独特优势。 本实用新型根据光功率变化引起的光电探测器的输出值变化就能解调出光 纤布喇格光栅的中心波长漂移量，从而得知被测量的大小。具体的数据处理参见文献 "Yage Zhan, Hua Wu, Qinyu Yang， Shiqing Xiang， Hong He，"Fiber grating sensors forhigh-temperature measurement”，Optics and Lasers in Engineering，46 (4)， 349-354,2008”。
权利要求1.一种基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，包括聚合物材料基体 (1)，长周期光纤光栅(3)，分束器(4)，布喇格光纤光栅，储有修复剂(20)的微胶囊(19)， 固化剂(17)，其特征在于在所述聚合物材料基体(1)内，所述长周期光纤光栅(3)、分束器 (4)、布喇格光纤光栅依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，其 特征在于所述的长周期光纤光栅(3)是借助高频CO2激光器制作成的。
3.根据权利要求1所述的基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料，其 特征在于所述的第5至第13布喇格光栅的布喇格中心波长与长周期光纤光栅的主损耗峰 值波长匹配。
专利摘要本实用新型涉及一种基于光纤多参量传感自监测和微胶囊自修复的复合材料。包括聚合物材料基体(1)，宽带光源(2)，长周期光纤光栅(3)，分束器(4)，布喇格光纤光栅；材料固化前，在其关键部位埋入布喇格光纤光栅作为敏感元件，宽带光源的输出光经长周期光纤光栅(3)调制后，经1×n的分束器后被均分进入光纤布喇格光栅(5-13)，光纤布喇格光栅的透射光进入光电转换模块(14)中相应的光电转换二极管中，然后均进入数据采集卡(15)和计算机(16)，最后进行数据的处理和显示。本实用新型具有较高的智能性、安全性及可靠性，对于航空航天、建筑、军工、国防等领域具有重要意义。
文档编号G01D5/26GK201852591SQ20102050607
公开日2011年6月1日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者余木火, 李林, 滕翠青, 詹亚歌, 许毓敏 申请人:东华大学