植入FBG的碳纖維復合材料全壽命周期結構狀態研究

孟慶平 孫 維 王亞龍 高 峰 卞賀明

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094) (2 北京航天控制儀器研究所，北京 100094) (3 北京市光纖傳感系統工程技術研究中心，北京 100094)

文 摘 將光纖光柵傳感器與碳纖維復合材料進行一體化集成設計，在碳纖維復合材料內部植入光纖光柵傳感器，驗證了埋置工藝的可行性，確認了其可實時監測環境溫度值，研究了植入光纖光柵傳感器后碳纖維復合材料的結構強度變化及光纖光柵的信號傳遞率。試驗結果表明：碳纖維復合材料埋入光纖光柵傳感器前后結構強度變化率小于10%，光纖應變信號傳遞率高于90%，光纖光柵傳感器可以作為碳纖維復合材料結構進行從加工固化、使用過程直至破壞的全壽命周期的結構強度監測的有效手段。

0 引言

碳纖維復合材料比模量、比強度較高，且耐高溫、耐腐蝕[1-2]，主要用作航天器的結構板、承力筒和加強筋等主承力構件，但是在使用過程中，由于受到長期外加載荷以及各方面原因的綜合作用，會出現裂紋損傷、材料分層甚至斷裂的情況，而使之強度下降，最終可能導致構件破壞。但是這種狀態變化往往很難被及時發現和采取措施[3-4]，從而可能造成不可挽回的損失。因此碳纖維復合材料的結構強度實時監測方法需求日益增多，得到了航空航天領域越來越多的關注[5]。近年來，布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)作為一種智能化傳感器，與傳統傳感器相比有著不可替代的優點，如不受電磁干擾、體積小、質量輕、傳輸穩定、不易腐蝕等，而受到航空航天領域的持續關注[6]。此外，FBG傳感器結構簡單，與碳纖維復合材料有著良好的易植入性和兼容性，滿足了碳纖維復合材料結構強度監測對傳感器提出的微型化、高可靠性的特殊要求[7-10]。

NASA等十分重視應用FBG傳感器，利用FBG多方向應變和溫度測量系統對X-33原型機進行了實時的健康監測[11]，爾后采用德國Eche研制的分布式FBG系統對X-38宇宙飛船進行了結構應變和溫度的實時監測[12]。意大利羅馬大學采用FBG應變傳感系統對Vega衛星發射器運行中結構表面變形情況進行了監測研究[13]。國內FBG研究目前仍未完成試驗室到產品化的過渡。上海大學、哈爾濱工業大學、大連理工大學等高校及北京航天控制儀器研究所等科研院所均開展了FBG傳感器用于航天器結構的溫度、應變監測的試驗驗證[14]。

本文將光纖光柵傳感器與碳纖維結構進行一體化集成設計，采用內埋于碳纖維復合材料層間的FBG傳感器作為結構狀態監測手段，研究了埋置工藝的可行性，研究了FBG傳感器在復合材料應變、溫度監測中的有效性及可靠性，以及碳纖維復合材料層合板制備和拉伸過程中的數據，探索了FBG傳感器埋植對碳纖維復合材料結構強度的影響及信號傳遞效果，以實現對航天器碳纖維復合材料結構進行從加工固化、使用過程直至破壞的全壽命周期的監測功能。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗采用T700碳纖維環氧樹脂預浸料(厚度0.125 mm)，采用熱壓罐成型工藝制備碳纖維復合材料層合板，試驗件(厚度1.5 mm)鋪層12層，鋪層方向為0°/90°交替鋪貼，順序為[0°/90°]6。

FBG應變傳感器測量范圍為-1 700～1 700 με，FBG溫度傳感器測量范圍為-20～150℃。

1.2 試驗件制備

本試驗共設置7組試驗件，每組各2塊試驗件。其中1組為無植入傳感器的試驗件。其它6組中每塊試驗件各植入一只FBG應變傳感器和一只FBG溫度傳感器。各組并排植入的傳感器間距分別為20、10、5 mm。

其中3組植入的傳感器平行于拉伸方向(水平試驗件)，如圖1 (a)～(c)所示，分別編號為Z20、Z10、Z5。3組植入的傳感器垂直于拉伸方向(垂直試驗件)，如圖1圖(d)～(f)所示，分別編號為H20、H10、H5。每種類型的2塊試驗件分別編號為1和2。即Z20-1代表間距為20 mm的水平試驗件1號。無植入試驗件編號為w1、w2。

圖1 植入FBG傳感器的試驗件方案示意圖Fig.1 Sample scheme of embedded FBG sensor

1.3 制備全周期溫度監測試驗

在試驗件固化制備過程中，對FBG溫度傳感器的測溫數據進行采集，對比其溫度測量值與熱壓機的實際溫度情況的偏差，以驗證FBG溫度傳感器植入碳纖維復合材料后不受影響，能夠實時監測試驗件結構所處環境。

1.4 溫度補償試驗

FBG應變傳感器所測量的應變量包括了被測結構受力產生形變的應變量和溫度變化導致被測結構膨脹或收縮所產生的應變量。但本文中所關注的主要針對因外界載荷作用而導致碳纖維復合材料試驗件結構產生應變的情況。因此使用FBG應變傳感器測量碳纖維復合材料結構應變時，需要使用同一位置的FBG溫度傳感器補償FBG應變傳感器自身所受的溫度影響。

1.5 拉伸試驗

FBG傳感器植入碳纖維復合材料層合板的拉伸試驗使用INSTRON-8803型拉伸機(圖2)進行，碳纖維復合材料層合板試驗件安裝有已校準過的引伸計(應變測量分辨力約為5 με)，用于測量拉伸過程中的應變值，為FBG應變傳感器的應變測量值提供對比，如圖3所示。

圖2 INSTRON-8803型拉伸機Fig.2 INSTRON-8803 tensile machine

圖3 安裝有引伸計的試驗件Fig.3 Sample installed extensometer

1.6 強度試驗

FBG傳感器植入碳纖維復合材料層合板的強度試驗同樣使用INSTRON-8803型拉伸機進行，但為避免引伸計損壞，試驗過程會將引伸計取下，并對層合板逐漸增加拉伸力，直至層合板出現斷裂，測量拉斷力和斷裂強度。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗件制備過程

為制作合格的碳纖維復合材料層合板試驗件，在制備工裝上根據布置方向分批次制作試驗件，并放入熱壓機設備中進行熱壓固化，執行固化工藝(壓力0.2 MPa、125℃保溫2.5 h，然后降溫至30℃以下)，結束后取出試驗件。水平試驗件如圖4所示，垂直試驗件如圖5所示。將取出的試驗件清理干凈，做好防護后保存。

制備結果表明，FBG傳感器植入后的成活率達100%，制備工藝合理可行，確保了FBG傳感器植入角度的精準，并可有效解決埋置過程中出現的光纖滑移等一系列工藝問題。

圖4 水平試驗件實物圖Fig.4 Real object of horizontal sample

圖5 垂直試驗件實物圖Fig.5 Real object of vertical sample

2.2 制備全周期溫度監測試驗結果分析

由于各FBG溫度傳感器測量溫度一致，且熱壓機尺寸較大，因此選取熱壓機邊緣的兩個試驗件中的FBG溫度傳感器光纖引出，以監測碳纖維復合材料層合板制備全周期溫度，監測結果如圖6所示。由于熱壓機工藝要求為125℃保溫2.5 h，由圖6數據分析可知，FBG溫度測量值基本一致，且與熱壓機實際溫度情況相符，表明FBG溫度傳感器植入碳纖維復合材料后不受影響，能夠實時監測試驗件所處環境。

圖6 制備過程中FBG溫度傳感器測溫結果Fig.6 Results of FBG temperature sensor during preparation

2.3 溫度補償試驗結果及分析

將植入FBG傳感器的試驗件放入溫箱中，保持其自由伸長狀態。在0～60℃之間，每間隔10℃保溫30 min，同時測量植入的FBG應變傳感器應變值和植入的FBG溫度傳感器溫度測量值(對應關系見圖7)，可得出同一試驗件上的溫度測量值與應變測量值的對應關系，用于溫度補償。

圖7 FBG應變傳感器溫度補償應變測量值Fig.7 Results of FBG strain sensor after compensation

獲得補償參數后，將補償參數代入傳感器參數，并在0～60℃的條件下進行試驗驗證，試驗結果如表1所示。

表1 FBG應變傳感器經補償后的最大應變漂移量(0～60℃)Tab.1 Maximum strain drift of FBG strain sensor after compensation(0～60℃)

由表1數據分析可知，在0～60℃內，溫度補償效果最差的FBG應變傳感器應變最大漂移量也僅為12.3 με。由此可知，當環境溫度變化1℃時，所有FBG應變傳感器的漂移量均小于1 με。因此在本文所設計的拉伸試驗中，各FBG應變傳感器的溫度補償效果可保證應變測量基本不受溫度影響。

2.4 拉伸試驗結果及分析

每個碳纖維復合材料層合板試驗件正式加載前，先進行重復3次的應變加載和卸載過程的預拉伸操作，以剔除復合材料制備工藝缺陷對試驗的影響。

試驗中為保證試驗件處于拉伸狀態，保證FBG傳感器應變測量線性度考察的準確度，對試驗件施加大約100 με的預拉伸載荷，作為應變拉伸試驗的起始點。

試驗中對試驗件加載約為100(實際零點)、200、300、400、500、600、1 100、1 600、2 100、2 600的應變(由于拉伸機拉伸中實際控制量為拉力，所以僅能保證施加拉力與上述應變值接近)。對試驗件共加載-卸載共計3次，以便考察FBG應變傳感器重復性；且每個應變測量值處停留20 s。試驗結果如圖8所示。

圖8 FBG傳感器應變測量曲線Fig.8 Strain curve of FBG strain sensor

本文數據統計分析中取應變靈敏度系數的理論值為各FBG傳感器設定的應變靈敏度系數，各傳感器靈敏度分布情況和各測量指標如表2所示。

表2 FBG應變傳感器性能指標(0～60℃)Tab.2 Performance index of FBG strain sensor(0～60℃)

試驗結果表明，各試驗件的FBG應變傳感器的線性度、重復性等指標整體表現一致。90%以上的試驗件應變靈敏度與設定靈敏度的偏差在10%以內，即應變傳遞效率均大于90%。

2.5 強度試驗結果及分析

強度試驗后，各試驗件發生破壞而斷裂，斷裂情況如圖9所示。各試驗件斷裂的平均拉斷力和斷裂強度如表3所示。

圖9 試驗件斷裂情況Fig.9 Sample fracture

從表3可知，沒有FBG傳感器植入時碳纖維復合材料層合板的斷裂強度為936.52 MPa。其中表3中的斷裂強度變化是指植入FBG傳感器后碳纖維復合材料層合板強度在此基礎之上的變化。

表3 試驗件平均斷裂強度對比

由試驗結果分析可知：

(1)T700碳纖維復合材料層合板在拉伸過程中的破壞以纖維的分層破壞為主，如圖9所示，這主要是由纖維強化型復合材料自身的特性所致；

(2)當FBG傳感器植入方向平行于拉伸方向時，目前的植入密度對于碳纖維復合材料在拉伸方向上的強度影響在-4.5%～10.0%之間，植入后強度損失不超過10%；

(3)當FBG傳感器植入方向垂直于拉伸方向時，目前的植入密度對碳纖維復合材料強度的影響在-2.9%～6.3%之間，植入后強度損失不超過10%；

(4)在當前植入密度下，垂直拉伸方向植入FBG傳感器的碳纖維復合材料與平行于拉伸方向植入FBG傳感器的碳纖維復合材料相比，二者破壞強度的差別不超過10%；

試驗結果表明，植入FBG傳感器對碳纖維復合材料層合板整體強度無明顯影響。

3 結論

本文將FBG傳感器與碳纖維結構進行一體化集成設計，制作了FBG智能復合材料。

(1)本文通過制備過程確認了FBG傳感器埋置的可行性，并可確保了FBG傳感器的成活率達100%；

(2)通過溫度補償實驗確認了FBG傳感器不受植入影響，可實時監測結構所處環境；

(3)拉伸試驗和強度試驗結果表明，FBG應變傳感器的傳遞效率高于90%，對材料破壞強度的損失也在10%以內，完全可以滿足大規模植入碳纖維復合材料的需求。

因此，將FBG傳感器植入到碳纖維復合材料內部，不僅可以發揮復合材料本身原有的優秀性能，還為長期實時在線監測復合材料及其結構內部的變形及損傷等狀態變化提供了可能，對提高復合材料結構的可靠性及實現復合材料結構智能化具有重要意義。未來通過進一步研究，通過大數據預測識別結構的累積損傷并評估其使用性能和壽命，建立相應的安全預警機制并對可能出現的結構破壞提前預警，是后續重點發展的方向。