光纖智能復(fù)合材料纖維自動(dòng)鋪放制造工藝研究*

李金鍵， 段玉崗， 高 侃， 王 奔， 曹瑞軍

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十三研究所，上海 200437； 3.西安交通大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710049)

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光纖智能復(fù)合材料纖維自動(dòng)鋪放制造工藝研究*

李金鍵1， 段玉崗1， 高 侃2， 王 奔1， 曹瑞軍3

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十三研究所，上海 200437； 3.西安交通大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710049)

光纖智能復(fù)合材料能對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力和微小損傷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。目前，光纖智能復(fù)合材料制造過(guò)程中光纖大多采用手工方法植入，其效率低、一致性差，針對(duì)此問(wèn)題提出并研究了基于纖維鋪放技術(shù)的光纖智能復(fù)合材料自動(dòng)化制造工藝，將光纖的植入過(guò)程與纖維絲束鋪放過(guò)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光纖智能復(fù)合材料的自動(dòng)制造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了光纖植入過(guò)程中輸送壓輥材料與輸送壓緊力、鋪放壓緊力和加熱溫度等工藝參數(shù)，研究表明：當(dāng)光纖平行于碳纖維預(yù)浸帶方向植入時(shí)，選取硅橡膠輸送輥，輸送壓緊力為15 N，鋪放壓緊力為300 N，加熱溫度為80 ℃時(shí)，植入到復(fù)合材料的光纖損耗較小，且光纖光柵反射譜形狀保持穩(wěn)定，能夠保證植入后光纖光柵的傳感特性。

光纖； 復(fù)合材料； 鋪放； 制造； 傳感特性

0 引 言

復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的抗疲勞性，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源裝備等制造領(lǐng)域。但復(fù)合材料構(gòu)件的維護(hù)成本較高，構(gòu)件使用期間需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷，盡早地采取相應(yīng)的修補(bǔ)措施，以降低維修維護(hù)費(fèi)用并保證復(fù)合材料構(gòu)件的使用安全[1]。目前比較成熟的方法是采用各種傳感器對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件服役過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取復(fù)合材料的相關(guān)信息，并盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在提高使用安全性的同時(shí)降低維護(hù)費(fèi)用。光纖傳感器具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、不受電磁干擾、對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性影響較小等優(yōu)點(diǎn)，易于植入到復(fù)合材料內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，因此，光纖智能復(fù)合材料的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注[2～4]。將光纖傳感器植入到復(fù)合材料內(nèi)部就形成了光纖智能復(fù)合材料，植入到復(fù)合材料內(nèi)部的光纖傳感器可以監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的應(yīng)變和溫度變化[5]。目前，光纖傳感器植入主要采用手工方式，在制造過(guò)程中手工將光纖定位、固定[6,7]，光纖手工植入方法效率低，光纖智能復(fù)合材料制作的一致性相對(duì)比較差。

本文提出將光纖的植入過(guò)程與復(fù)合材料纖維鋪放自動(dòng)化制造過(guò)程相結(jié)合的制造方法，同時(shí)保證光纖的植入質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

本文提出的光纖智能復(fù)合材料制造過(guò)程結(jié)合纖維鋪放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性制造。纖維鋪放系統(tǒng)采用自主研發(fā)的基于機(jī)器人式纖維鋪放機(jī)，可同時(shí)鋪放16束7 mm寬纖維窄帶，鋪放速度為0～30 m/min。

實(shí)驗(yàn)用碳纖維預(yù)浸帶由威海光威公司提供，其中，碳纖維為T(mén)C35—12K(臺(tái)灣臺(tái)麗)，樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂，預(yù)浸帶樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33 %。光纖為聚酰亞胺涂層單模光纖，纖芯直徑為8.4 μm，包層直徑為125 μm，涂層厚度為10 μm，布拉格光柵由中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十三研究所刻制，光柵長(zhǎng)度為10 mm。

纖維鋪放系統(tǒng)首先進(jìn)行碳纖維預(yù)浸帶的鋪放，在鋪放至光纖植入需要的厚度時(shí)，繞在纏繞卷中的光纖通過(guò)兩輸送輥的摩擦力作用向前輸送，經(jīng)過(guò)鋪放壓輥的壓緊力作用和紅外燈的加熱作用植入到預(yù)定位置，如圖1。

圖1 光纖輸送植入示意圖

光纖輸送張力采用張力控制調(diào)節(jié)裝置控制，張力控制器將張力傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)光纖纏繞卷輸送電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速而達(dá)到張力控制的目的，如圖2。

圖2 張力調(diào)節(jié)控制裝置

為防止光纖在輸送過(guò)程中發(fā)生較大曲率彎曲而發(fā)生破壞，應(yīng)適當(dāng)增加張力傳感器附近兩導(dǎo)向輪與張力傳感器的間距，從而使光纖得到盡量較大的平滑過(guò)渡，增大光纖的彎曲半徑。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

2.1 輸送壓輥材料與輸送壓緊力對(duì)光纖植入的影響

本文對(duì)三種常用材料(碳鋼、聚氨酯、硅橡膠)的輸送輥和不同的輸送壓緊力進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

按照光纖生產(chǎn)廠家提供的光纖參數(shù)指標(biāo)，光纖篩選拉應(yīng)力為200 kbf/in(1 bf/in=6 894.757 Pa)，則根據(jù)光纖的直徑可以計(jì)算得到光纖能承受的臨界最大拉力為22.8 N，根據(jù)光纜實(shí)際生產(chǎn)中得到的光纖放線張力控制經(jīng)驗(yàn)，光纖的張力應(yīng)控制在篩選張力的10 %左右[8]，實(shí)驗(yàn)中,采用張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)將光纖的輸送張力f控制在2 N左右。光纖靠?jī)奢斔洼佁峁┑臐L動(dòng)摩擦力向前輸送，而滾動(dòng)摩擦力的大小與輸送輥材料的硬度有關(guān)，材料硬度越大，材料變形越小，滾動(dòng)摩擦力越小[9]。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在滿足光纖輸送張力要求的前提下能夠保證光纖向前輸送的三種材質(zhì)輸送輥的最小壓緊力分別為30,20,15 N。圖3為光纖在三種不同輸送輥材料(碳鋼、聚氨酯、硅橡膠)分別在對(duì)應(yīng)最小輸送輥壓緊力下的光纖涂覆層表面的輸送效果SEM照片。

圖3 光纖涂覆層表面SEM照片

從圖3中可以發(fā)現(xiàn):采用碳鋼輥輸送的光纖涂層表面會(huì)留下很深的壓痕，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)光纖直接斷裂現(xiàn)象，而采用硅橡膠輥和聚氨酯輥輸送時(shí)光纖涂覆層未發(fā)現(xiàn)存在破損現(xiàn)象。為進(jìn)一步分析采用硅橡膠輥和聚氨酯輥中輸送后光纖包層是否發(fā)生破壞，本文采用加熱的濃硫酸將經(jīng)過(guò)輸送后的光纖涂覆層溶解掉并用丙酮3次清洗干燥后，采用掃描電鏡觀察光纖的內(nèi)部包層，如圖4。

圖4 光纖包層表面SEM照片

由圖4可以看到:經(jīng)過(guò)聚氨酯輥和硅橡膠輥輸送后光纖包層均沒(méi)有裂紋和其他損傷，由于硅膠壓輥由于彈性模量小，滿足輸送要求需要的輸送壓緊力最小，所以,本文采用硅橡膠輥輸送光纖，輸送壓緊力為15 N。

2.2 鋪放壓緊力與加熱溫度對(duì)光纖植入的影響

光纖經(jīng)過(guò)輸送輥的輸送后經(jīng)鋪放輥的壓緊作用和紅外燈的加熱作用將光纖植入到相應(yīng)的位置，纖維鋪放設(shè)備的鋪放壓輥采用具有較小彈性模量的硅橡膠材質(zhì)柔性壓輥，紅外加熱燈用于加熱預(yù)浸帶來(lái)增加其表面粘性。鋪放壓緊力過(guò)小，加熱溫度過(guò)低，則已鋪放的預(yù)浸帶表面樹(shù)脂粘性不夠，光纖容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，不能有效固定在確定位置上，從而影響植入光纖的位置精度。由于光纖垂直于碳纖維方向植入時(shí)熱壓罐固化產(chǎn)生的不均勻殘余應(yīng)力會(huì)使光柵的反射譜出現(xiàn)劣化[10]，對(duì)光柵的傳感特性造成一定影響，因此，本文對(duì)光纖平行于碳纖維方向植入的情況進(jìn)行研究。參考已有文獻(xiàn)[11]對(duì)鋪放壓緊力和加熱溫度對(duì)光纖與預(yù)浸帶的粘附影響效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光纖與預(yù)浸帶粘附效果的判斷標(biāo)準(zhǔn)是光纖在鋪放之后進(jìn)行下層預(yù)浸帶的鋪放時(shí)，光纖的位置不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。鋪放壓輥材料為硅橡膠，鋪放速度為20 mm/s，光纖平行碳纖維方向植入，每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，結(jié)果如表1所示。

表1 光纖平行于纖維方向植入粘附性分析

Tab 1 Adhesion analysis on optical fibers embedded parallel to fiber direction

注： Y表示光纖位置未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，N表示光纖位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:在較低壓緊力和加熱溫度條件下光纖的粘附效果相對(duì)較差，而壓緊力較大和加熱溫度較高時(shí)較好。這是因?yàn)檩^大的鋪放壓緊力可以將光纖擠壓至碳纖維中間,如圖5，紅外燈加熱則可以使預(yù)浸帶表面的樹(shù)脂粘性增強(qiáng)，從而固定住光纖。考慮光纖的粘附性，并考慮預(yù)浸帶鋪放時(shí)常用的壓緊力和加熱溫度參數(shù)，選取鋪放壓緊力300 N，紅外加熱溫度80 ℃，可以同時(shí)保證光纖智能復(fù)合材料制造的連續(xù)性和光纖的有效粘附性。

圖5 光纖與碳纖維預(yù)浸帶的粘附性光鏡圖

2.3 工藝參數(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述參數(shù)的可靠性，選取硅橡膠輸送壓輥，輸送壓緊力15 N，鋪放壓緊力300 N，加熱溫度80 ℃，將光纖布拉格光柵植入到復(fù)合材料層合板中，并采用熱壓罐固化制造出復(fù)合材料板,如圖6。

圖6 測(cè)試樣件的制作與實(shí)物圖

固化前后光纖損耗和光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行分析,測(cè)量植入到復(fù)合材料的光纖損耗沒(méi)有相應(yīng)的樣件尺寸標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)采用的復(fù)合材料樣件長(zhǎng)寬厚為100 mm×100 mm×2 mm，光纖長(zhǎng)度為500 mm，復(fù)合材料樣件為單向?qū)雍习?，光纖平行碳纖維方向植入，光纖位于最中間層。采用光功率計(jì)和穩(wěn)定光源等對(duì)熱壓罐固化前后的光纖損耗進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，結(jié)果如圖7。

圖7 植入到復(fù)合材料的光纖損耗

可以看出:光纖植入工藝和熱壓罐固化工藝均會(huì)引起光纖損耗，這可能是由于碳纖維對(duì)光纖的擠壓造成的微彎曲而引起的，但光纖損耗相對(duì)較小，說(shuō)明植入到復(fù)合材料后的光纖未發(fā)生損壞。采用sm125 500光柵解調(diào)儀對(duì)植入復(fù)合材料的布拉格光柵反射波譜進(jìn)行檢測(cè)，復(fù)合材料樣件的尺寸為200 mm×200 mm×2 mm，光纖光柵平行于碳纖維方向植入到復(fù)合材料中，且光柵區(qū)位于樣件的中間位置，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 植入到復(fù)合材料的光纖光柵反射譜

可以看到：熱壓罐固化前后光纖光柵反射波譜的半高峰寬未發(fā)生變化，兩反射譜均未出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。說(shuō)明光纖鋪放植入工藝條件能夠滿足光纖布拉格光柵的植入要求，保證光纖光柵的傳感檢測(cè)特性。分別采用超聲波顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察植入光纖的復(fù)合材料層合板，如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)光纖與周?chē)奶祭w維結(jié)合相對(duì)比較緊密，對(duì)復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的影響較小，說(shuō)明光纖植入工藝能夠保證植入后復(fù)合材料的性能要求。

圖9 植入光纖微觀形貌圖

3 結(jié) 論

本文結(jié)合纖維鋪放植入工藝對(duì)光纖智能復(fù)合材料制造過(guò)程中光纖的植入工藝條件進(jìn)行研究，討論了光纖輸送壓輥材料與輸送壓緊力、鋪放壓緊力及加熱溫度對(duì)光纖植入效果的影響，結(jié)果表明：當(dāng)光纖植入時(shí)，選取硅膠輸送壓輥，輸送壓緊力15 N，鋪放壓緊力300 N，加熱溫度80 ℃等制造工藝參數(shù)時(shí)，光纖智能復(fù)合材料的制造可以結(jié)合纖維鋪放系統(tǒng)制造完成。由對(duì)植入復(fù)合材料的光纖損耗和光柵反射譜的檢測(cè)結(jié)果可以看出：當(dāng)光纖平行于碳纖維方向植入時(shí)，不但很好地實(shí)現(xiàn)了光纖智能復(fù)合材料對(duì)材料內(nèi)部應(yīng)力和微小損傷實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，而且植入到復(fù)合材料的光纖損耗較小，光纖光柵反射譜形狀能夠保持穩(wěn)定，保證了光纖光柵的傳感檢測(cè)特性。

[1] Surgeon M,Wevers M.Static and dynamic testing of a quasi-iso-

tropic composite with embedded optical fibers[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,1999,30(3):317-324.

[2] De Oliveira R,Marques A T.Design of an optical fiber sensor patch for longitudinal strain measurement in structures[J].Materials & Design,2009,30(7):2323-2331.

[3] Bard A J,Faulkner L R.Electrochemical methods[M].2nd ed.New York:Wiley,2001.

[4] 董曉馬，張為公.光纖智能復(fù)合材料的研究及其應(yīng)用前景[J].測(cè)控技術(shù), 2004，23(10):3-5.

[5] Du W,Tao X M,Tam H Y,et al.Fundamentals and applications of optical fiber Bragg grating sensors to textile structural compo-sites[J].Composite Structures,1998,42(3):217-229.

[6] 劉榮梅.基于界面分析的光纖智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2010.

[7] Liu R M,Liang D K.Experimental study of optical fibers inf-luence on composite[C]∥Fourth International Conference on Experimental Mechanics，International Society for Optics and Photonics,2009:75225Z—1-75225Z—8.

[8] 丁敏慧,萬(wàn)家華.關(guān)于光纜生產(chǎn)中工藝控制問(wèn)題的探討[C]∥中國(guó)通信學(xué)會(huì)2007年光纜電纜學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,北京,2007.

[9] 劉延柱,楊興海,朱本華，等.理論力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001：78-80.

[10] 田 恒,王繼輝,冀運(yùn)東,等.布拉格光柵對(duì)固化殘余應(yīng)力的監(jiān)測(cè)[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,26(20):111-114.

[11] 段玉崗,劉芬芬.纖維鋪放壓緊力及預(yù)浸帶加熱溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2012(4)：148-157.

段玉崗，通訊作者，E—mail:ygduan@mail.xjto.edu.cn。

Study of optical fiber smart composites fabricated by automatic fiber placement*

LI Jin-jian1, DUAN Yu-gang1, GAO Kan2, WANG Ben1, CAO Rui-jun3

(1.State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing System,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China; 2.No.23 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shanghai 200437,China; 3.School of Science,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Optical fiber smart composites can be used to continuously monitor internal stress and damage of composite materials with good stability and reliability.However,these optical fibers are embedded manually at present,which results in low efficiency and poor consistency.Aiming at this problem,a high-efficiency automotive placement of optical-fiber smart composites manufacturing method is proposed and investigated in this paper.The parameters of conveying roller material,convey pressure,laying pressure and heating temperature are determined by the designed automotive placement.Optimized results indicate that small optical-fiber loss and a stable optical-fiber grating reflection spectrum can be obtained when the optical fiber is placed parallelly to carbon fiber with silicone rubber convey roller,the convey pressure of 15 N and the laying pressure of 300 N at 80 ℃,which can ensure the sensing performance of the optical fiber grating.

optical fiber; composites; placement; manufacture; sensing performance

2015—07—03

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET—11—0419)； 西安交通大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(08143020)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0020—04

TB 332

A

1000—9787(2015)09—0020—04

李金鍵(1989-)，男，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w智能復(fù)合材料。