FBG光柵對車用碳纖維復合材料的健康監測

張條蘭 王花麗

摘 要：用光柵傳感器對車用單向碳纖維、雙軸向碳纖維復合材料進行了“健康監測”，通過拉伸實驗監測了拉伸波長隨時間的變化、拉伸波長隨所加載荷的變化。結果表明拉伸波長與所加載荷呈線性關系，通過波長與載荷的線性關系可預估復合材料的抗拉特性。織物結構中雙軸向碳纖維復合材料的監測效果較好。

關鍵詞：布拉格光柵;復合材料;拉伸;健康監測

復合材料具有高剛度、剛強度的特點，目前被廣泛應用于新能源汽車領域。在其使用的過程中，為了保證其安全性，實時監測到材料的受損程度及健康狀況，傳感器成為其重要的一個應用領域。目前所使用的傳感器主要有：直流電（DC）傳感器、介電傳感器、壓電傳感器（PT）、超聲波傳感器（US）、壓力分布式格柵傳感器（PSDG）、光纖傳感器（光強調制型光纖傳感器、光纖光柵傳感器）、熱敏傳感器等。每種傳感器均各自具有不同的適應場合以及不同的優缺點[1]：（1）直流電傳感器已被廣泛應用;但是得到的信息受限制，只能得到節點出的信息。（2）線性直流電傳感器可以檢測整個導線長度方向的信息，但方向上受限制，難以準確確定垂直的帶傾斜角的導線上的信息。（3）介電傳感器：大多為離散式模具，體積較大，成本較高，難以探測厚度方向的信息。（4）壓電傳感器：這類傳感器在升溫中不可靠，材料硬度的適應性及其與復合材料間的粘接較差。（5）超聲波傳感器：可穿越材料對其進行厚度上的監測，但聲發射易受環境的干擾。（6）熱敏傳感器：是一種具有溫度敏感性的半導體電阻。熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化，半導體陶瓷熱敏電阻是負溫度系數，溫度越高電阻值越低，銅熱電阻和鉑熱電阻是正溫度系數，溫度越高電阻值越高。其體積小，熱慣性小，靈敏度高，成本低，耐用，在復合材料工藝中已成功地應用于固化度、流動前沿及滲透率的測量，這類傳感器簡單，且易進行樹脂流動的監控。因此，本文提出了FBG（布拉格光柵）光纖傳感監控技術，FBG傳感器體積小、纖細輕柔、便于布設、與待測材料的相容性好，靈敏度高、耐腐蝕、化學穩定性好，可以對材料的性能做以實時監測，進行全方位監測，并可提高材料健康監測的有效性及實時性。車用復合材料形成過程中，殘余應力的存在會大幅度降低材料性能，導致復合材料基體裂開、疲勞性能低以及脫層等現象，因此，用傳感器監測技術對樹脂固化過程及產生的殘余應力進行實時監測，了解其變化歷程，通過適當調整工藝條件優化工藝參數具有很大的實際意義。

1 光纖布拉格光柵傳感器的原理

布拉格光柵（FBG）是光纖波導介質纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。它是一種波長選擇反射器，所反射的波長稱為布拉格中心波長[2]。以布拉格中心波長作為光纖光柵的特征值，光柵制作成型后，中心波長隨之確定。

光纖光柵周圍的溫度場和作用在光纖光柵上的應變是兩個能夠直接導致布拉格中心波長漂移的物理量。當傳感器只遭受應變時，特征波長的偏移與光柵所承受的應變函數關系式比較簡單，通過波長的偏移量即可方便準確地得到光柵所處位置的應變值，并且所測得的波長與應變值呈線性關系。

將光纖布拉格光柵（FBG）埋入復合材料中，用一寬帶光源對其發出光信號。當材料中產生應變或正溫度變化時，光柵反射的波長將發生改變。將接受到的信號通過解調裝置處理后輸出，即得到波長的變化，從而得到溫度、應變等物理量的變化。光纖傳感器埋入復合材料中，用于監測材料的溫度和應變等物理量變化，從而監測材料的成型過程和其成型后的健康情況。

2 復合材料進行拉伸性能的監測

拉伸監測：（將包埋有光柵的復合材料成型體進行拉伸）當復合材料的應變或應力超過其最大應變和應力時，材料即會失效。在單向拉伸時，主要載荷由軸向纖維束來承擔，這時的橫向纖維束幾乎不受力，因而軸向纖維束的失效會引起較大的載荷降，導致材料的最終失效。雖然在材料失效前，基體會有少許開裂，但基體對材料的拉伸強度沒有太大的影響。當光纖光柵傳感器沿纖維軸向編入時，可把光線視為性能弱化的軸向紗，而且根據光纖的特點不會對材料性能產生太大的影響，這樣就可以由光柵的失效及光柵所測應變的大小來判斷材料結構內部失效及應變大小。光柵對材料的相容性較好，能對材料的內部健康狀況和使用狀況進行實時監測，對車用復合材料的使用狀況提供了重要的依據[3]。

2.1 實驗材料

玻璃板、真空袋、密封膠帶、真空泵、三通、塑膠管、螺旋管、單軸向炭纖維織物、雙軸向炭纖維織物、切割機、WDW-100型微機控制電子萬能試驗機、光纖傳感系統。

2.2 實驗過程

清潔模具—貼脫模紙—貼密封膠帶—鋪放織物及光纖—密封—抽真空—充樹脂—固化—脫模—切割。

采用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機測試，依據GB/T 1447-2005中的Ⅱ型試樣形式進行加工為矩形;樣品尺寸250 mm×25 mm，拉伸速率為5 mm/min。

其中，第三步先貼好密封膠帶的目的是，在下一步布設光纖時能使光纖粘在膠帶上，初步固定其在材料中的位置。

2.3 實驗結果

2.3.1 拉伸過程波長隨時間的變化

單向碳纖、雙軸向碳纖復合材料在拉伸的過程中波長隨時間的變化方向是一致的。當未加載荷時，光柵不受外力的作用即監測到的波長保持不變。當開始加載時，光柵的波長相應增大，而且呈較好的線性關系;當所加載荷達到一定程度時，達到復合材料所承受的載荷極限值，當所加載荷達到極限值時，監測到光柵的波長急劇下降，即材料內部的結構發生破壞，光柵也隨之受到破壞，光柵失效。此階段可通過波長的變化來判斷材料何時失效及所能承受的最大載荷。在整個實驗過程當中，雙軸向碳纖維復合材料在拉伸的過程中，波長隨時間變化的線性關系最明顯，這與復合材料織物的組成與結構有關，即可以更有效精確地判斷試件何時失效及所承受的載荷極限。

2.3.2 拉伸過程波長隨載荷的變化

單軸向炭纖維與雙軸向炭纖維復合材料成型體FBG傳感器監測到外加載荷與波長皆呈較好的線性關系，且隨著載荷的增加波長相應的增加，雙軸向碳纖維復合材料的線性最好。這可能與纖維織物的結構有關，雙軸向炭纖無紗線捆綁，兩個方向上都有同樣的增強纖維束，使其復合材料呈現良好的抗拉性能。即通過埋設于復合材料內部的光纖布拉格光柵傳感器對復合材料內力學結構變化進行實時監測，通過載荷與波長的線性變化可實現復合材料內部的應力應變監測，同時根據光纖的拉伸時間與失效位置來預估試件的抗拉特性以及判斷所測試件何時何處失效。因此，埋入的與復合材料相容性較好的FBG傳感器可以實時地監測到材料內部結構的力學變化，通過波長與載荷的線性變化來實現復合材料內部所受載荷大小的估算。

3 結論

從總體上來講，FBG能有效并且實時不同織物復合材料的健康狀況進行監測，監測的過程中有較高的靈敏度和分辨率，可較精確地進行材料內部應力應變狀況的監測及材料抗拉性能的估測。從實驗結果看出雙軸向碳纖維復合材料抗拉性能較好，拉伸過程載荷與波長呈明顯的線性關系，根據此良好的線性關系可對復合材料的健康狀況進行監測。為碳纖維復合材料在新能源汽車中應用提供了重要理論依據。

參考文獻：

[1]宋志強，祁海峰，李淑娟，等.光纖光柵制作中波長拉力控制技術的[J].光學學報，2013，33（7）：1-4.

[2]高琳琳，王慶林，郭云力.復合材料基片式光纖光柵傳感器的制造與性能[J].材料工程，2018，46（9）：65-72.

[3]何少靈，郝鳳歡，劉鵬飛，等.溫度實時補償的高精度光纖光柵壓力傳感器[J].中國激光，2015，42（6）：174-178.