基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置及方法与流程

本发明属于复合材料制备及无损监测技术领域，涉及基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置及方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由于轻质、高强、可设计性好以及便于一体成型的优势成为近年的研究热点之一，而纤维复合材料三明治结构(由上下薄面板和中间芯层组成，三部分通过粘接剂胶接或直接模压成一个整体)展现出独特的优势，使用同等质量的纤维复合材料，三明治结构的相对刚度可达到复合材料层合板的30多倍，相对强度可达到9倍，而质量仅仅增加6％，同时复合材料三明治结构具有良好的抗压缩和剪切性能，避免了薄承力件即使在很小的应力下也会失稳的问题。另外，复合材料三明治结构还具有良好的隔热、隔声性能，因此在波音、空客等飞机上得到广泛应用，其近一半的表面材料都是三明治结构，并且在汽车、地铁等领域也展现出良好的应用前景，从高端跑车向普通轻量化汽车发展，其广泛的应用范围体现出复合材料三明治结构优良的工程价值和极高的社会效益。

尽管纤维复合材料用量日益增多，但对其材料体系的认识和使用经验远不如传统的钢铁材料丰富，对制造和使役过程进行健康监测有助于我们加深认识、提升应用能力。复合材料在成型过程中受不均匀温度场、固化度场以及与模具相互作用的影响，不同铺设方向的铺层热膨胀和化学收缩程度不匹配，因而不可避免的会产生残余应力，脱模后结构件的尺寸和形状与预先设计产生偏差，即发生了固化变形。尽管芯层材料不存在固化过程，但不同材料的芯材热膨胀程度与复合材料面板不匹配，与之相互作用产生更为复杂的变形和残余应力，而固化变形会影响后续的装配精度，残余应力则导致微裂纹甚至分层等损伤，给使役过程带来隐患，这在复杂的曲面三明治结构中表现更为明显，因此对三明治结构固化过程进行实时原位监测有助于揭示其不同于层合板的变形机制，是控制和提高成型质量、实现其广泛应用的重要手段。

目前国内外采用的固化监测方法有超声方法、介电法、热电偶、红外热成像法及光纤传感监测方法等。但在这些方法中，有的传感器尺寸易影响成品性能，有的存在稳定性较低、监测范围较小、数据处理麻烦、信号易受电磁场影响的问题，应变片虽然是一种应用成熟的监测技术，但只局限于对表面应力应变的监测，无法获取不同铺层的固化信息，而光纤传感方法具有所用材料与增强纤维相近、嵌入对成品性能影响小、灵敏度和精度高、电磁免疫和监测范围广的优势而更适合用于表贴或内植于纤维复合材料结构件中，光纤传感器根据信号调制方式的不同分为强度调制、相位调制、波长调制和分布式等类型，其中光纤光栅属于波长调制型，可以对固化过程中的温度、固化度、残余应力和树脂流动前沿进行实时在线监测，数据处理简单，可为固化工艺参数的调整和结构设计提供依据。

针对光纤光栅栅区部位易脆断，光纤抗剪切性差的问题，对光纤引线采取保护技术，并在模具上开出相应的凹槽。另外，应变传感器必须与温度传感器成对邻近铺设才能去除温度的影响从而得到单一应变的变化。与层合板不同的是，在制备内植光纤光栅的复合材料三明治结构的过程中，采取先将面板完全固化再与芯材胶接成型的方案是不合理的，这是因为面板在固化时产生的内应力也被光纤光栅捕捉，使得光纤光栅初始为非零状态，发生杂化，给后续监测三明治结构的固化过程引入了不可消除的因素。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置及方法，实时在线监测固化过程中的温度和应变变化，使研究人员对三明治结构的固化变形机理和残余应力分布有更加深入的认识，并为结构和铺层设计提供指导，有助于实现三明治结构的广泛应用。本发明克服了其他监测手段的不足，并解决了面板完全固化后胶接成型工艺光纤光栅传感器监测数据不可靠的问题，采用预固化-二次固化的成型工艺，并对引线加以保护从而保证监测信号稳定传输，实现实时在线监测。

本发明的第一目的是提供一种基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置，其具有测量精确稳定、操作简单的优点。

基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置，包括：

预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的矩形模框围成的模腔，在所述模腔内逐层铺设预先裁切好的纤维预浸料；在设定层的纤维预浸料上按照预设方向铺设温度补偿传感器和应变传感器；所述温度补偿传感器和应变传感器成对平行铺设；矩形模框的四个边均设有引线凹槽，所述温度补偿传感器和应变传感器的引线从相应的矩形模框侧壁框板的引线凹槽中引出，与光纤耦合器连接，光纤耦合器与信号接收器连接，信号接收器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接；信号处理器对温度补偿传感器和应变传感器采集的数据进行实时监测；

将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机进行预固化，信号处理器记录检测到的初始光谱图；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却到室温，信号处理器记录预固化过程中的温度和应变的变化过程；冷却到室温后，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的步骤，得到第二面板；

将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间，将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到三明治构件，将三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行在线实时监测；对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件。

所述光纤光栅传感器中的光纤包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层的厚度。光纤光栅传感器优选细直径光纤，以更大程度地减少内植光纤对复合材料强度和刚度的影响。

根据结构件的尺寸和监测需要设计光纤光栅阵列，对光纤光栅传感器的数量及光纤上栅区数量没有限制，但传感器布排密度不宜过大，否则不同传感器间会相互影响。对光纤光栅传感器进行点布设或阵列式布排，要保证多个传感器互相不接触，温度补偿传感器与应变传感器成对平行铺设，间隔5～10mm。

矩形模框表面用耐高温高分子薄膜均匀缠绕包裹。

本发明的第二目的是提供一种基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置的制备方法。

基于内植光纤光栅的三明治构件固化变形监测装置的制备方法，包括：

步骤(1)：选择与铺层总厚度相适应的模框，根据预设光纤光栅传感器的铺设位置在模框的四条侧壁框板上确定引线凹槽的位置，并加工引线凹槽，然后将整个模框表面均匀缠绕若干层耐高温的高分子薄膜，引线凹槽的表面也用高分子薄膜完全覆盖；

步骤(2)：剪裁出设定尺寸、角度和数量的预浸料，在预先涂好脱模剂的下模板上放置预先覆膜的模框并固定，并在预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的矩形模框围成的模腔中，按照预先设计的铺层顺序铺设预浸料，同时在设定铺层的监测位置上预埋光纤光栅传感器：温度补偿传感器和应变传感器；温度补偿传感器和应变传感器的引线从引线凹槽引出；

步骤(3)：将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机，引线与光纤耦合器连接，光纤耦合器与信号接收器连接，信号接收器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接；信号处理器对光纤光栅传感器采集的数据进行实时监测；

热模压机进行预固化，信号处理器记录检测到的初始光谱图和预固化过程中温度补偿传感器和应变传感器采集的温度和应变的变化历程；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却到室温，信号处理器记录预固化过程中的温度和应变的变化过程；冷却到室温后，断开引线与信号接收器的连接，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的制备工艺，得到第二面板；

步骤(4)：将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间；将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到成型前的三明治构件，将成型前的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行在线实时监测；加热加压达到预定时间后不开模自然冷却至室温，对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件。

所述步骤(4)中，将成型前三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机的下加热板和中间加热板中间，将光纤引线连接到信号接收器，设定温度工艺为：升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min；设定压力为0.08mpa。加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化；打开热模压机，断开光纤引线与信号接收器的连接，将模框脱除，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件。

所述步骤(4)中，将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间；将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到成型前的三明治构件，将其放入模具中，在模具上依次覆盖隔离膜、透气毡和真空袋，光纤引线从真空袋中引出，用高温密封胶密封好之后转移至热压罐中，设定的温度工艺为升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min，升降温速率均设为2.5℃/min，设定压力为0.8atm，冷却至室温后卸压，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化。

所述蜂窝芯层，常见的孔格形状为正六边形，也有方形、梯形等其他形状，应用较多的材质为铝蜂窝、芳纶纸蜂窝等。

所述预浸料，是环氧树脂基体浸渍的连续单向碳纤维。

所述单层预浸料厚度为0.1～0.4mm。

所述耐高温的高分子薄膜，是聚偏氟乙烯、玻璃纸等同种材质的高分子薄膜，也可以是多种材质的高分子薄膜的组合。

所述耐高温的高分子薄膜厚度为0.1～0.3mm。

所述温度补偿传感器和应变传感器的光纤包层直径为35～45微米，上面分布数个光栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(例如，外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

所述温度补偿传感器和应变传感器的铺设方式为：传感器光栅区方向与该层的纤维方向保持一致，否则容易造成光栅区折断失效。应变传感器需与温度补偿传感器成对平行铺设，并间隔5～10mm，只监测温度的传感器可单独铺设，但各个传感器不能相接触。传感器的引线从相应引线凹槽引出后用耐高温胶带将其固定在凹槽上，防止光纤弯折影响信号强度，造成信号不易探测，也可使内部光栅区保持固定，与纤维方向始终保持一致。

所述步骤(1)中，引线凹槽设置在模框的每条侧壁框板的二分之一处、四分之一处或四个角处；

所述步骤(2)中，剪裁出设定尺寸、角度和数量的预浸料，是指按平行于纤维方向、垂直于纤维方向、与纤维轴线成45°方向(或者30°方向、60°方向等)裁切出若干个纤维预浸料，面内尺寸为300mm*300mm。

所述步骤(2)中，按照预先设计的铺层顺序铺设预浸料，铺层方式为：[-452/02/452/902/0/90/0]s。

所述步骤(3)的预固化温度为70～90℃，压力为0.3～0.5mpa，恒温20～40min后冷却至室温。预固化的原则是保证面板有刚度，使后续脱模时不会弯折，同时不影响在二次固化时复合材料面板与芯层的粘接。预固化度控制在15～35％之间，若固化度太小，会导致面板刚度过低；若固化度太大，则会造成两个面板与芯层粘结困难。

所述步骤(4)中加热加压，压力不宜过大，压力小于芯层所能承受的最大压力，温度按固化工艺曲线设置。采用1.2～2的安全系数，如成型压力小于等于蜂窝的能承受的最大压力pmax/1.2。

所述步骤(4)的成型压力为0.05～0.25mpa，为了保证蜂窝夹芯板制备过程中内植光纤光栅的存活率及所测数据的准确性，建议采取的冷却方式为不开模自然冷却至室温。

热压成型温度工艺根据厂家提供的工艺要求来设定，例如：首先从室温升温至80℃，保温30min，然后升温至120℃，保温60min；最后冷却至室温。两个阶段的压力均为0.08mpa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了面板完全固化后再与芯层用胶膜粘结成型会导致光纤光栅传感器监测的数据无效的问题，提出一种预固化时植入光纤光栅传感器的制备方法，因此时温度较低，树脂处于粘流态，应变无法有效传递到光纤光栅传感器，因而光纤光栅传感器在预固化过程中的数据不会影响后续三明治板固化过程的监测。

(2)本发明采用预固化-二次固化的工艺制造出了智能纤维复合材料三明治结构件，此工艺操作简单、稳定，光纤光栅传感器的植入对三明治结构的刚度、层间强度等性能几乎没有影响，不会导致应力集中，并可以对固化过程中的温度和应变进行精确、稳定的实时在线监测。

(3)本发明提供了一种复合材料三明治结构固化变形的监测装置，对光纤光栅传感器进行了有效的保护，不存在影响成品性能、稳定性低、监测范围小、数据处理麻烦、信号易受电磁场影响的问题，对固化过程中温度和应变变化的监测具有精确、稳定和实时的优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施案例装置示意图。

图2(a)为开有引线凹槽的模具俯视示意图；

图2(b)为开有引线凹槽的模具的图2(a)的a-a向视示意图；

图2(c)为铺设光纤光栅应变与温度补偿传感器的示意图；

图3(a)和图3(b)为光纤光栅传感器监测的复合材料三明治结构热模压固化过程中的应变、温度与时间关系曲线。

其中，1.模框，2.应变传感器，3.预浸料，4.温度补偿传感器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

如图1所示，一种纤维复合材料三明治结构热模压固化变形的测试装置，包括铺设在模框中的纤维复合材料预浸料、夹芯层和布排的光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、信号处理器等。根据结构件的尺寸大小和监测需要对光纤光栅传感器进行点布设或阵列式布排，温度补偿传感器与应变传感器在同一铺层成对平行铺设，模框上设有凹槽，模框和凹槽的各表面覆有耐高温高分子薄膜，传感器的引线从模框凹槽中引出与信号接收器接通。

制备和使用方法：

(1)在开放式正方形模框的四条边中间位置处加工宽10mm、深1.5mm的引线凹槽，如图2(b)和图2(c)所示。

(2)将模框四周各边用三层耐高温聚偏氟乙烯薄膜完全包覆，使聚偏氟乙烯薄膜与模具框板紧紧贴合；每个引线凹槽处也包覆聚偏氟乙烯薄膜。

(3)利用裁床将预浸料按平行于纤维方向(0°方向)、垂直于纤维方向(90°方向)、与纤维轴线成45°方向裁切出足够数量的碳纤维预浸料，面内尺寸为300mm*300mm，单层厚度为0.125mm；裁出尺寸为300mm*300mm的芳纶纸蜂窝芯层，芯层厚度为12.75mm。

(4)选择包层直径45微米的光纤光栅传感器，检查传感器是否损坏并进行标定。每个应变传感器的光纤上分布五个光栅区；作为温度补偿的参考传感器上也相应地分布五个光栅区，温度补偿传感器用纤细的不锈钢毛细管(外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

(5)在预先涂好脱模剂的下模板上放置预先覆膜的模框并固定，将步骤(3)中裁切好的预浸料按照一定顺序逐层铺设到模框中，铺层方式为[-452/02/452/902/0/90/0]s。在铺设过程中，在第11、12层预浸料之间横向的1/2处、1/4处沿0°方向分别埋入2个应变传感器，同时在1/2处应变传感器旁边间隔5mm处平行铺设一个温度补偿传感器。另外在第15、16层预浸料之间纵向的1/2处、1/4处沿90°方向分别埋入2个应变传感器。如图2(a)所示。

(6)将光纤光栅传感器的引线从对应模框的引线凹槽中引出。

(7)将预先涂好脱模剂的上模板盖在模框上，闭合模具，将模具送入热模压机中，将光纤光栅传感器的引线连接到信号接收器中，检查信号强度和稳定性，设置加热温度为80℃，压力为0.5mpa，恒温半小时后在不开模的情况下自然冷却到室温，完成预固化过程。

(8)打开热模压机，将冷却好的面板取出，断开与信号接收器的连接，将面板放置好。另一个面板预浸料铺层和光纤光栅传感器埋入位置与上述面板对称，重复步骤(5)～(7)。

(9)将蜂窝芯层置于预固化的上下面板之间，定位对齐后，放入热模压机中的下加热板和中间加热板之间，将光纤引线连接到信号接收器，设定的温度工艺为升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min，升降温速率均为2.5℃/min，设置压力为0.08mpa。加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化。

(10)打开热模压机，断开光纤引线与信号接收器的连接，将模框脱除，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治结构件。

实施例2：

一种纤维复合材料三明治结构固化变形的测试装置，包括铺设在模框中的纤维复合材料预浸料、夹芯层和布排的光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、信号处理器等。根据结构件的尺寸大小和监测需要对光纤光栅传感器进行点布设或阵列式布排，温度补偿传感器与应变传感器在同一铺层成对平行铺设，模框上设有凹槽，模框和凹槽的各表面覆有耐高温高分子薄膜，传感器的引线从模框凹槽中引出与信号接收器接通。

制备和使用方法：

将实施例1的步骤(7)改为将预先涂好脱模剂的上模板盖在模框上，闭合模具，在模具上依次覆盖隔离膜、透气毡和真空袋，将光纤光栅传感器的引线从真空袋中引出，并连接到信号接收器中，检查信号强度和稳定性，用高温密封胶密封好之后转移至热压罐中，在用于监控热压罐状态的电脑中设置好压力及温度曲线，具体为设定压力为0.5mpa，设置加热温度为80℃，恒温30min后以2.5℃/min的速率冷却到室温，冷却结束后卸压，完成预固化过程。

将实施例1的步骤(8)改为打开热压罐，断开光纤与信号接收器的连接，将冷却好的面板取出并放置好。另一个面板预浸料铺层和光纤光栅传感器埋入位置与上述面板对称，重复步骤(5)～(7)。

将实施例1的步骤(9)改为将蜂窝芯层置于预固化的上下面板之间，定位对齐后，得到成型前的三明治构件，将其放入模具中，在模具上依次覆盖隔离膜、透气毡和真空袋，光纤引线从真空袋中引出，用高温密封胶密封好之后转移至热压罐中，设定的温度工艺为升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min，升降温速率均设为2.5℃/min，设定压力为0.8atm，冷却至室温后卸压，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化。其他步骤与实施例1相同。

图3(a)和图3(b)为光纤光栅传感器监测得到的复合材料三明治结构上面板热模压固化过程中的1/2处和1/4处的应变、温度与时间关系曲线。上面板的应变在升温阶段均有两个明显的波动峰，且每个峰值对应的时间恰好与温度-时间曲线峰值的时间一致，说明此时树脂的应变波动是可以传递到光纤光栅上的。在这个阶段树脂受热固化，但处于固化的初始阶段，固化度较小，固化收缩引起的收缩应变小于热膨胀引起的拉伸应变，并且热模压机的温度调节存在滞后，使得实际温度高于设定温度，因而热膨胀起主导作用，上面板初始表现为拉伸应变。120℃之后固化度很高，此时固化收缩应变占主导，表现为压缩应变。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。