基于光纖光柵傳感器的復合材料氣瓶應變檢測

闞寶璽 楊超 王學鋒 唐才杰 崔留住 王俊鋒

（1 北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100083）

（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）

（4 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文摘 針對復合材料氣瓶應變檢測的需求，提出了一種光纖光柵傳感器植入碳纖維纏繞鋁合金內襯的復合材料氣瓶的方法，首先在室溫下將光纖光柵傳感器粘接在經過噴砂處理的鋁合金內襯外表面，然后對粘接了光纖光柵傳感器的鋁合金內襯進行高溫老煉，最后進行碳纖維纏繞和固化。開展了8只光纖光柵應變傳感器植入復合材料氣瓶的試驗，其中6 只傳感器在復合材料氣瓶150 ℃/1.5 h 固化后保持存活，實現了復合材料氣瓶固化、水壓疲勞、高溫試驗等過程中的應變檢測。結果表明，所提出的方法可以減小內襯的粗糙外表面導致的光纖光柵信號衰減，驗證了光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶進行應變檢測的可行性。

0 引言

纖維纏繞金屬內襯的復合材料氣瓶具有質量輕、壓力容限高、可靠性高、抗疲勞、耐腐蝕等優點，用其代替全金屬氣瓶已經成為航天領域氣瓶發展的一種趨勢［1-3］。

復合材料氣瓶的金屬內襯主要起密封作用，載荷主要由外部的復合材料層來承擔，所以氣瓶減重要求采用輕、薄的金屬內襯設計。在復合材料氣瓶制備過程中需要對纖維施加一定的纏繞張力，一方面增加復合材料的密實度，提高纖維的發揮強度；另一方面對金屬內襯施加一個預應力，提高金屬內襯的耐疲勞能力。隨著航天技術的發展，氣瓶減重對金屬內襯厚度的要求越來越苛刻。金屬內襯厚度的減小對復合材料氣瓶的結構設計和成型工藝的量化控制提出了更高的要求，迫切需要對復合材料氣瓶制備和測試過程中的金屬內襯應變進行檢測，為復合材料氣瓶結構和制造工藝的優化提供支持［3］。光纖光柵傳感器具有連接光纜少、體積小、質量輕、測點數目多、穩定性好、抗電磁干擾等優點，可以植入復合材料氣瓶內部，安裝在金屬內襯外表面，實現復合材料氣瓶金屬內襯應變的檢測［4-7］。

BANKS C E等［6］人采用室溫固化的AE-10 粘接膠將光纖光柵傳感器粘接在金屬內襯外表面進行光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的應變檢測，結果表明金屬內襯外表面粗糙度較大會導致光纖光柵傳感器信號強度嚴重衰減，從而影響信號的有效檢測，需要對金屬內襯外表面進行拋光處理、減小粗糙度來減小光纖光柵信號的衰減。

本文針對碳纖維纏繞鋁合金內襯復合材料氣瓶設計驗證和監測需求，開展基于光纖光柵傳感器的復合材料氣瓶應變檢測研究，設計光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的制備方法，在鋁合金內襯外表面經過噴砂處理、粗糙度較大的情況下，擬實現光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的應變檢測。

1 光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的制備方法

1.1 氣瓶結構和制備流程

復合材料氣瓶設計容積為9 L；內襯采用6061-T6 鋁合金材料，筒身段鋁合金內襯壁厚度為1.4 mm，鋁合金內襯外表面進行噴砂處理；鋁合金內襯外纏繞T700碳纖維。

光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的流程如下：（1）光纖光柵傳感器采用聚酰亞胺涂覆保護以滿足復合材料固化溫度的要求，應變測量不確定度≤3%［8］，通過室溫固化環氧樹脂粘接在經過噴砂處理的鋁合金內襯外表面，連接光纖從氣瓶瓶口附近鋁合金內襯和碳纖維層的界面引出，從而保持碳纖維層的連續性；（2）對粘接了光纖光柵傳感器的鋁合金內襯進行150 ℃/1.5 h高溫老煉，使環氧樹脂充分固化，提高環氧樹脂的強度，從而降低碳纖維纏繞和固化過程中鋁合金內襯外表面噴砂對光纖的局部作用力；（3）在鋁合金內襯外表面纏繞碳纖維，纏繞過程中對碳纖維施加一定的張力，纏繞完成后氣瓶筒身段碳纖維層的厚度為10 mm；（4）將纏繞后的復合材料氣瓶放入烘箱，150 ℃條件下保溫3 h，完成復合材料氣瓶固化。

1.2 光纖光柵傳感器的安裝布設

在鋁合金內襯外表面粘接安裝了8只光纖光柵應變傳感器和2只光纖光柵溫度傳感器，如圖1所示。

在瓶身中段安裝了1只溫度傳感器和4只應變傳感器，其中2只應變傳感器沿環向安裝（圖1中S1、S3），2只應變傳感器沿縱向安裝（圖1中S2、S4）。在瓶口收縮段安裝了1只溫度傳感器和4只應變傳感器，其中2只應變傳感器沿環向安裝（圖1中S5、S7），2只應變傳感器沿縱向安裝（圖1中S6、S8）。完成光纖光柵傳感器安裝和高溫老煉的鋁合金內襯如圖2所示。

圖1 光纖光柵傳感器在鋁合金內襯表面安裝示意圖Fig.1 Installation of FBG sensors on aluminum inner liner

圖2 安裝了光纖光柵傳感器的鋁合金內襯Fig.2 Aluminum inner line with FBG sensors installed

1.3 復合材料氣瓶的纏繞

纏繞過程中如果不阻擋樹脂沿光纖流動，樹脂固化后可能將光纖粘接到工裝上，導致光纖損傷或可靠性下降。在鋁合金內襯瓶口和工裝之間設置了硅膠凸臺結構，避免樹脂沿光纖流動，如圖3所示。

圖3 限制樹脂沿光纖流動的方法示意圖Fig.3 Method schematic diagram of limiting resin flow along optical fiber

碳纖維纏繞過程如圖4所示，采用數控纏繞機將浸漬了樹脂的碳纖維纏繞在鋁合金內襯外表面。在碳纖維纏繞過程中，鋁合金內襯處于旋轉狀態，所以只在碳纖維纏繞前后進行了光纖光柵傳感器的測試。

圖4 復合材料氣瓶纏繞過程Fig.4 Winding process of composite pressure vessel

纏繞后的復合材料氣瓶采用烘箱加熱，固化成型后的復合材料氣瓶如圖5所示。

圖5 固化后的復合材料氣瓶Fig.5 Composite pressure vessel after cured

2 基于光纖光柵傳感器的復合材料氣瓶應變檢測

2.1 復合材料氣瓶制備過程的應變檢測

碳纖維纏繞后、復合材料固化后的光纖光柵應變傳感器測量值如表1所示，應變測量值以碳纖維纏繞前的狀態作為參考。碳纖維纏繞后，光纖光柵應變傳感器測量值為-220～-13 με，與碳纖維加張力纏繞、鋁合金受到碳纖維的外壓作用從而產生負應變相吻合。

表1 復合材料氣瓶制備過程中光纖光柵傳感器測量值變化Tab.1 Change measurement of FBG of composite pressure vessel during preparation

復合材料氣瓶固化成型后，布設在鋁合金內襯表面的6 只光纖光柵傳感器信號可以被有效檢測。本文提出的光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶的方法，在鋁合金內襯外表面經過噴砂處理、粗糙度較大的情況下，依然能保證光纖光柵傳感器的信號強度被有效檢測到。

其中5 只光纖光柵應變傳感器的測量值增大。這是因為碳纖維復合材料在高溫條件下固化，樹脂將鋁合金內襯外表面和碳纖維層的內表面粘接在一起；由于鋁合金內襯的熱膨脹系數遠大于碳纖維，溫度降低到室溫后鋁合金內襯將受到碳纖維層的拉力，產生正應變。

位于瓶身中段縱向的S4光纖光柵應變傳感器，在復合材料氣瓶固化成型后的應變測量值進一步減小，與其余5只光纖光柵應變傳感器測量值的變化趨勢相反。現有研究表明［3］，鋁合金內襯受到過大外壓作用時會發生失穩內凹。由于鋁合金熱膨脹系數遠大于碳纖維，在加熱固化成型過程中碳纖維的張力會增大，鋁合金內襯受到的外壓增大，從而導致鋁合金內襯發生局部失穩內凹，局部應變減小。根據光纖光柵傳感器測量數據，可以進行碳纖維纏繞張力的優化。

T2光纖光柵溫度傳感器的光纖在穿出鋁合金內襯和碳纖維層的界面時發生斷裂。光纖從復合材料氣瓶瓶口的鋁合金內襯和碳纖維層的界面引出，是光纖容易發生斷裂的一個薄弱環節，需要在氣瓶設計過程中統籌考慮光纖安裝布設方法，為光纖保護、固定等預留路徑。

信號丟失的S5、S7 光纖光柵應變傳感器均位于復合材料氣瓶的瓶口收縮段，且方向均為環向。從圖6所示碳纖維纏繞過程中的瓶口照片可以看到，在瓶口收縮段纏繞的碳纖維方向與環向的夾角較大，接近90°。當光纖和碳纖維之間的夾角較大時，光纖無法進入到碳纖維束內部，從而造成碳纖維束對光纖施加較大的橫向作用力［9］。在該處，沿收縮段環向布設的光纖光柵傳感器S5、S7 及連接光纖在垂直于光纖軸向上會受到較大的來自碳纖維的作用力，從而導致光纖彎曲損耗過大或發生斷裂。當光纖和碳纖維之間的夾角較大時，容易發生光纖光柵傳感器信號丟失，需要綜合考慮傳感器保護和碳纖維纏繞工藝，避免光纖和碳纖維以較大的夾角直接接觸。

圖6 復合材料氣瓶纏繞過程中收縮段局部照片Fig.6 The photo of shrinkage section of composite pressure vessel during winding

2.2 復合材料氣瓶水壓疲勞試驗過程中的應變檢測

在固化成型后的復合材料氣瓶外部采用α-氰基丙烯酸乙酯粘接安裝了4只光纖光柵應變傳感器，位置和方向分別為瓶身中段環向（傳感器編號S9）、瓶身中段縱向（傳感器編號S10）、收縮段環向（傳感器編號S11）、收縮段縱向（傳感器編號S12），然后開展了兩次0～36 MPa水壓疲勞試驗，如圖7所示。

圖7 復合材料氣瓶水壓疲勞試驗照片Fig.7 The photo of hydraulic fatigue test of composite pressure vessel

水壓疲勞試驗過程中，光纖光柵溫度傳感器T1測量值為23.8～25 ℃；不同水壓下，光纖光柵應變傳感器的測量值如圖8所示。從圖8可以看到，水壓疲勞試驗中光纖光柵應變傳感器信號丟失的趨勢，與光纖與碳纖維方向的夾角有關；夾角越大，越容易發生傳感器信號丟失。位于瓶身中段縱向的光纖光柵應變傳感器（S2、S4），光纖和碳纖維方向的夾角接近30°（圖4）；在第一輪水壓試驗過程中，水壓大于等于26 MPa時S2信號丟失、水壓大于等于20 MPa時S4信號丟失，在第二輪水壓試驗中，S2、S4均工作正常。位于瓶身中段縱向的光纖光柵應變傳感器（S1、S3），光纖和碳纖維方向的夾角接近60°（圖4）；在第一輪水壓試驗過程中，水壓大于等于20 MPa時S1數據丟失，S3工作正常；在第二輪水壓試驗過程中，S1信號丟失、水壓大于等于12 MPa后S3數據丟失；水壓卸載后，S3信號恢復。

圖8 復合材料氣瓶水壓疲勞試驗中的應變測量曲線Fig.8 Strain curves of composite pressure vessel during hydraulic fatigue test

鋁合金內襯表面的應變大于復合材料氣瓶外表面的應變，最大應變位于瓶身中段環向。在第一輪水壓疲勞試驗中，在36 MPa 水壓下測得鋁合金內襯的應變達到8 691 με、復合材料氣瓶外表面應變達到7 572 με。光纖光柵應變傳感器測得的應變分布規律，與內壓作用下厚壁容器的應力分布規律相符。

在水壓疲勞試驗中復合材料氣瓶發生了塑性變形。經過第一輪和第二輪水壓疲勞試驗后水壓減壓為0 MPa 測得的復合材料氣瓶應變如表2 所示，所有光纖光柵應變傳感器的測量值均為正值。相對第一輪水壓疲勞試驗后的應變測量值，第二輪水壓疲勞試驗后的應變測量值進一步增大不超過200 με，說明塑性形變還在繼續增大，但是增大幅度減小。

表2 水壓疲勞試驗后的氣瓶應變Tab.2 Strain of pressure vessel after hydraulic fatigue test

2.3 復合材料氣瓶高溫試驗過程中的應變檢測

復合材料氣瓶經過2輪水壓疲勞試驗后，進一步開展了140 ℃高溫試驗，以評估復合材料在高溫工作時的熱變形；氣瓶不加內壓，自由放置在溫箱內部。試驗過程中光纖光柵傳感器的溫度、應變測量值如圖9 所示。由于所用的α-氰基丙烯酸乙酯的最高工作溫度為80 ℃，安裝在氣瓶外表面的光纖光柵應變傳感器只采用了80 ℃以下的數據。

從圖9 可以看出，在140 ℃溫度下，光纖光柵應變傳感器的最大測量值為2 795 με（S1），位于瓶身中段環向。經過高溫試驗后，發生信號丟失的光纖光柵傳感器S1、S3信號恢復正常，說明經過高溫試驗后氣瓶的局部應力得到了一定的釋放，水壓疲勞試驗過程中光纖光柵傳感器并沒有發生損壞，而是發生了損耗增大。針對光纖損耗增大的問題，一方面可以優化光纖保護和碳纖維纏繞工藝，避免光纖和碳纖維以較大的夾角直接接觸；另一方面可以換用低彎曲損耗光纖和高靈敏度光纖光柵測試設備。

圖9 高溫老煉試驗過程中的溫度和應變測量曲線Fig.9 Temperature and strain curves of composite pressure vessel during high temperature aging test

3 結論

提出了一種光纖光柵傳感器植入碳纖維纏繞鋁合金內襯的復合材料氣瓶的方法，實現了復合材料氣瓶纏繞、固化、水壓疲勞、高溫試驗等過程中的應變檢測，為光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶進行應變檢測應用奠定了一定的基礎：

（1）通過在室溫下將光纖光柵傳感器粘接在經過噴砂處理的鋁合金內襯外表面，然后對粘接了光纖光柵傳感器的鋁合金內襯進行高溫老煉，減小了內襯的粗糙外表面導致的光纖光柵信號衰減；

（2）通過硅膠凸臺結構阻止樹脂沿光纖流動，避免了連接光纖因為被樹脂粘接到纏繞工裝上而發生損壞；

（3）試驗發現當光纖和碳纖維之間的夾角較大時容易發生光纖光柵傳感器信號丟失，為光纖光柵傳感器植入復合材料氣瓶工藝的優化提供了參考。