復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測技術(shù)研究進展*

王奕首，李煜坤，吳 迪，孫 虎，卿新林

（1.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門361005；2.中國運載火箭研究院研究發(fā)展中心，北京100076）

先進復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、性能可設(shè)計、易于整體成型等優(yōu)點，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計的理想材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、海洋艦艇、石油化工及土木建筑等領(lǐng)域的大型工程結(jié)構(gòu)[1-5]。然而，由于設(shè)計、制造與檢測技術(shù)的限制，復(fù)合材料在大型結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的優(yōu)越性能還遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮，制造成本過高與產(chǎn)能太低是大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中需要解決的主要問題[6]。液體成型（Liquid Composite Molding, LCM）制造工藝適合制造復(fù)雜的大型三維結(jié)構(gòu)，具有低成本與大批量生產(chǎn)的潛力[7-8]。常見的LCM工藝有樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding, RTM）、真空輔助傳遞成型（Vacuum Assistance Resin Transfer Molding, VARTM）和真空輔助樹脂注入成型（Vacuum Assistance Resin Infusion, VARI）。但液體成型技術(shù)在大型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)上應(yīng)用仍需要解決不少難題[9]，如成型工藝固化過程缺乏實時監(jiān)控和控制手段，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。目前，液體成型過程的固化參數(shù)多是通過樹脂數(shù)據(jù)表，多次調(diào)整和依靠廣泛試驗得到的經(jīng)驗公式，以足夠高的保守裕度來保證復(fù)合材料完全固化[10]。

為了保證復(fù)合材料成品質(zhì)量及生產(chǎn)的可重復(fù)性，需要對復(fù)合材料固化過程進行實時原位監(jiān)測[11]，確保固化過程中各部分固化充足、積累的殘余應(yīng)力和非均勻溫度樹脂轉(zhuǎn)換引起的應(yīng)變盡可能小，控制復(fù)合材料固化溫度避免熱降解，降低完全固化的總時間[12]。使用永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural health monitoring, SHM）是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、服役及維護的全壽命周期中都可以發(fā)揮非常重要的作用[6-7,13-15]。本文面向復(fù)合材料液體成型制造，綜述復(fù)合材料固化過程監(jiān)測技術(shù)的主要研究進展，首先分析了復(fù)合材料固化過程中可監(jiān)測的物理量；然后結(jié)合復(fù)合材料固化過程中出現(xiàn)的物理化學(xué)反應(yīng)特性，重點論述了基于光纖方法、超聲方法、電學(xué)方法和熱學(xué)方法的在線原位監(jiān)測技術(shù)及其各自的技術(shù)特點，以及在SHM技術(shù)中的應(yīng)用；最后討論了復(fù)合材料固化過程監(jiān)測的發(fā)展趨勢和面臨的問題。

復(fù)合材料液體成型固化過程及主要工藝參數(shù)

復(fù)合材料液體成型固化過程伴隨著一系列復(fù)雜的反應(yīng)過程，如熱傳遞、質(zhì)量傳遞、流變反應(yīng)和聚合反應(yīng)，同時還涉及液態(tài)到橡膠態(tài)、橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的相變。因此，固化過程中樹脂的機械性能和流變性能一直在發(fā)生變化[16]。如果固化過程中相關(guān)參數(shù)控制不當(dāng)，會導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)受到嚴(yán)重影響，進而產(chǎn)生目不可檢的缺陷或隱含的損傷（如開裂、磨損、水解或老化）；同時復(fù)合材料與模具的相互作用也會產(chǎn)生較高殘余應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料形狀扭曲、翹曲變形、基體裂紋和部件內(nèi)部分層等缺陷[17]，這些因素的綜合作用會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，甚至浪費原料[18]。復(fù)合材料LCM固化時伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使得固化過程難以進行精確的理論分析，但為使用多種物理化學(xué)方法來監(jiān)測復(fù)合材料固化過程提供了機會。本節(jié)主要介紹復(fù)合材料固化動力學(xué)模型以及在實際生產(chǎn)和試驗中經(jīng)常監(jiān)測的物理量。這些物理量有助于人們了解復(fù)合材料固化過程的機理及其對成品質(zhì)量的影響，是選擇監(jiān)測方法和設(shè)計傳感器的重要依據(jù)。

1 固化度及固化動力學(xué)模型

樹脂的固化反應(yīng)動力學(xué)是采用數(shù)學(xué)形式在理論上確定已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)化速率的關(guān)系，是設(shè)計成型工藝和優(yōu)化工藝參數(shù)的先決條件之一。樹脂固化反應(yīng)動力學(xué)普遍采用唯象法，即采用一些經(jīng)驗性的模型方法作為樹脂固化動力學(xué)的基礎(chǔ)方程[19-20]。固化度是固化反應(yīng)動力學(xué)最直觀的表現(xiàn)，是判斷固化是否完成的直接準(zhǔn)則，如果不對其進行監(jiān)測，易造成未固化和過固化。盡管樹脂供應(yīng)商會提供樹脂固化度的信息，但環(huán)境和模具形狀差異導(dǎo)致了這些信息應(yīng)用具有一定的局限性。因此，若能在固化過程中實時掌握樹脂的固化特性，有助于控制材料放熱和預(yù)測固化度，進而設(shè)計和優(yōu)化固化時間、溫度條件等[21]。

在固化動力學(xué)過程中，最常見的普式動力學(xué)方程為：

式中，f（α）為固化機理函數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)確定。K（T）為固化速率系數(shù)，用阿累尼烏斯方程表示：

式中，A為頻率因子；E為活化能；R為普適氣體常數(shù)；T為溫度。常用的固化機理函數(shù)分為3種，如表1所示，其中α代表固化度，n和m為反應(yīng)級數(shù)。

固化度監(jiān)測及固化反應(yīng)動力學(xué)研究的常用方法有差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry,DSC）、超聲方法、電學(xué)方法和光纖方法。但DSC儀器只能通過測量非常小的試件的熱流變化來得到固化度及固化動力學(xué)特性，不適合實時原位監(jiān)測復(fù)合材料固化過程[19,22]。

2 其他主要監(jiān)測量

復(fù)合材料固化過程中殘余應(yīng)力、內(nèi)部溫度和流動前沿等參量同固化特性和最終成品質(zhì)量密切相關(guān)。復(fù)合材料固化時殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有3種原因：（1）基體和增強纖維之間熱膨脹系數(shù)不同；（2）固化時基體的體積收縮；（3）模具和復(fù)合材料固化件之間界面的相互作用[23-24]。殘余應(yīng)力會嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能，因此需要在復(fù)合材料固化過程中實時監(jiān)測內(nèi)部應(yīng)變，進行工藝優(yōu)化來提高復(fù)合材料成品質(zhì)量[25]。一般可采用光纖傳感器（如嵌入光纖波長調(diào)制型、相位調(diào)制型和分布式）實時獲得固化過程中殘余應(yīng)力的演變過程。

目前，復(fù)合材料固化的自催化模型仍然為半經(jīng)驗公式，需要深入研究來掌握溫度與固化度之間的定量關(guān)系，特別是固化時內(nèi)部溫度信息[26]。內(nèi)部溫度控制不當(dāng)，固化產(chǎn)生熱會造成局部過固化，同時局部過熱會加重殘余應(yīng)力的產(chǎn)生[27]。內(nèi)部溫度監(jiān)測最簡單易行的方法就是熱學(xué)方法，但局限性較大。從現(xiàn)有文獻看，采用光纖監(jiān)測溫度是一個很有前景的方法。

復(fù)合材料LCM技術(shù)是將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中，或加熱融化預(yù)先放入模腔中的預(yù)浸料，使液態(tài)聚合物在流動充模的過程中同時完成樹脂纖維固化成型為制品的技術(shù)[28]。在復(fù)合材料成型LCM工藝樹脂浸潤纖維的過程中，由于纖維層排布或模具等干擾，會使樹脂流動不充分，造成局部干斑和局部未浸潤等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響復(fù)合材料成品的整體性能[29]。因此，需要對樹脂流動前沿進行監(jiān)測，實時追蹤樹脂流動位置，以便更好地調(diào)整工藝，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 固化反應(yīng)中常用唯象反應(yīng)模型

綜上所述，復(fù)合材料液體成型固化過程主要監(jiān)測固化度、溫度、殘余應(yīng)力和流動前沿4個物理量，它們之間的直接相互關(guān)系及監(jiān)測方法如表2所示。

復(fù)合材料LCM固化過程在線監(jiān)測方法

基于固化過程中的不同物理化學(xué)原理，復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測方法有多種，但每一種方法只能監(jiān)測部分參數(shù)，具有一定的局限性，在使用時要根據(jù)具體條件進行選擇評估。本文根據(jù)監(jiān)測原理將在線監(jiān)測分為光纖、超聲、電學(xué)和熱學(xué)4類，本節(jié)重點綜述這4種方法在復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 光纖傳感監(jiān)測方法

光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高和監(jiān)測量多等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[30-32]。光纖傳感器同樣適合于復(fù)合材料固化監(jiān)測，根據(jù)信號調(diào)制方式將光纖傳感器分為強度調(diào)制、相位調(diào)制、波長調(diào)制和分布式等類型。

基于強度性光纖傳感器是根據(jù)菲涅爾定律或漸逝場現(xiàn)象，有部分光/電磁波折射出光纖，造成光強度衰減。強度調(diào)制型傳感器主要用來監(jiān)測固化度和樹脂流動，如Doyle等[33]用裸光纖進行復(fù)合材料固化度原位化監(jiān)測；Lekakou等[34]（2006年）使用漸逝波光纖傳感器得到玻璃復(fù)合材料固化時表面和內(nèi)部樹脂流動前沿位置和固化度；Wang等[35]（2012年）使用基于菲涅爾定律的光纖傳感器來監(jiān)測碳纖維復(fù)合材料LCM生產(chǎn)過程中樹脂注入時的二維橫向流動分布及固化度。一般地，強度調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、設(shè)計靈活等優(yōu)點，但信號易受光源影響、精度低。

相位調(diào)制傳感器主要用來監(jiān)測復(fù)合材料固化時內(nèi)部溫度和殘余應(yīng)力大小，是利用固化時環(huán)境變化會導(dǎo)致光纖中光波相位變化的原理。最適合應(yīng)用在固化監(jiān)測中的是非本征光纖Fabry-Perot干涉?zhèn)鞲衅鳎‥xtrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI）。Mahendran等[36]（2009年）設(shè)計了3種基于傅立葉變換紅外光譜調(diào)制的EFPI傳感器，更進一步設(shè)計出基于EFPI傳感器和毛細(xì)管組合的多功能傳感器，以更精確監(jiān)測固化過程中復(fù)合材料內(nèi)部溫度、殘余應(yīng)力、固化度和功能團濃度等[37]。Archer等[38]也做了類似工作。總體而言，相位調(diào)制型傳感器監(jiān)測精度高、參數(shù)多，但傳感器設(shè)計復(fù)雜、信號處理麻煩。

表2 各物理量之間聯(lián)系對比

波長調(diào)制型傳感器是利用固化時外界因素會對傳輸光波的波長造成影響的原理。常見的傳感器有布拉格光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）和長周期光柵傳感器，對固化過程主要參數(shù)都可進行實時監(jiān)測。Tian等[39]和Buggy等[40]將這兩類傳感器埋入復(fù)合材料中以原位監(jiān)測固化度；Eum等[41]（2007年）使用FBG傳感器實時分布式監(jiān)測VARTM中復(fù)合材料固化時樹脂流動前沿、應(yīng)變和溫度；Nielsen等[23]（2014年）使用多個拉絲塔光柵FBG傳感器也做了類似工作，驗證了FBG用于復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測的可靠性。FBG在復(fù)合材料LCM的一個典型應(yīng)用如圖1[42]所示，其中紅綠編號處為兩條不同的光纖，各編號代表不同的FBG傳感器。綜上可知，F(xiàn)BG傳感器具有監(jiān)測量廣、精度高等優(yōu)點，并且特別適合使用在整體SHM技術(shù)中，但是溫度和應(yīng)變參數(shù)分離較復(fù)雜、動態(tài)范圍較小。

前3種方法的監(jiān)測范圍一般為點，對于大范圍測量，需要布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，線路復(fù)雜、可靠性低，分布式傳感器可以克服這些缺點。

Shu等[43]（2011年）采用布里淵散射光時域反射分布式傳感系統(tǒng)對復(fù)合材料加強筋結(jié)構(gòu)VARTM生產(chǎn)過程中的樹脂流動前沿、應(yīng)變和溫度進行監(jiān)測，并將分布式傳感器永久集成于復(fù)合材料中，使成品具有SHM功能，但對損傷定量分析精確度還有待提高。Ito等[44]（2012年）研制了混合布里淵-瑞利光時域分布傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)固化時溫度和應(yīng)變的獨立測量，在等溫和非等溫兩種溫度載荷下監(jiān)測，所得結(jié)果與布拉格光柵傳感器的結(jié)果相比，精度達98%左右。分布式傳感系統(tǒng)中，光頻域反射計比光時域反射計有更高的精度和空間分辨率。Sánchez等[45]（2015年）應(yīng)用基于光頻域反射計的分布式傳感系統(tǒng)在VARI中精確地監(jiān)測到樹脂流動前沿，并根據(jù)溫度補償結(jié)果計算了固化時殘余應(yīng)力的積累，識別出玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和脫模過程。總的來說，以分布式光纖傳感器來監(jiān)測LCM過程，本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)變形或溫度變化引起空間光信號波動，根據(jù)散射信號得到固化參數(shù)。

綜上所述，光纖傳感方法與其他方法相比，材料與增強纖維相近，嵌入對成品性能影響小、靈敏度高、免疫電磁，非常適合用于SHM技術(shù)，且SHM結(jié)構(gòu)較其他相比監(jiān)測范圍大、精度高，但光纖連接口設(shè)計較復(fù)雜。光纖傳感器一般只能對單一參數(shù)進行監(jiān)測，對于多參數(shù)需要實施溫度補償或應(yīng)變隔離。

圖1 FBG傳感器埋入汽車控制臂Fig.1 Embeded FBG sensors in the vehicle control arm

2 超聲方法

在復(fù)合材料液體成型固化過程中，基體材料發(fā)生相變，導(dǎo)致了模量變化和能量吸收，因此模量是反映固化狀態(tài)的重要參數(shù)。超聲固化監(jiān)測是利用超聲波速與密度和模量的相互關(guān)系，通過實時測量超聲波的速度和衰減來獲取固化信息[46]。已有研究表明低強度超聲波可用于監(jiān)測高分子材料模量變化，如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換、結(jié)晶、交聯(lián)反應(yīng)或其他關(guān)于粘彈性的物理化學(xué)變化，如凝膠態(tài)轉(zhuǎn)換點[47]。

按照超聲傳感器放置位置不同，將超聲監(jiān)測分為接觸式（CT）和非接觸式（NCT）。兩種方法均可使用脈沖回波和收發(fā)傳輸兩種模式，但都需要精準(zhǔn)測量試件的厚度。

2.1 接觸式超聲監(jiān)測

傳感器直接與未固化材料接觸，操作簡便、結(jié)果直觀。Maffezzoli等[48]（1999年）最先使用10MHz頻率的脈沖回波法來監(jiān)測復(fù)合材料固化時的動態(tài)機械性能，通過對比等溫和非等溫試驗數(shù)據(jù)，得到固化模型的機械性能和固化度，其結(jié)果與DSC結(jié)果一致。Vogt等[49]（2003年）在金屬線中通入超聲導(dǎo)波，并采用兩種不同方法得到了復(fù)合材料固化度，第一種是利用低頻超聲導(dǎo)波進入固化材料時的反射波信息；第二種是利用高頻導(dǎo)波的衰減信息。試驗證實這兩種方法都有很高的精度。此外，超聲方法還能用于探測樹脂流動前沿，如Schmachtenberg等[50]（2005年）使用4MHz正透射超聲波探頭，監(jiān)測RTM工藝中樹脂流動前沿和固化度。但這些方法都存在一個共同問題，即無法精確得到試件厚度上的變化。為解決該問題，Lionetto等[51]（2004年）和Pindinelli等[52]（2002年）將超聲探頭集成在平行盤形流變計上，試件像三明治樣夾在傳感器中間，其厚度可以被集成流變計系統(tǒng)精確測量。

2.2 非接觸式監(jiān)測

雖然接觸式超聲測量技術(shù)已經(jīng)證實了其監(jiān)測的可靠性及靈敏性，但實際應(yīng)用有一定的局限性，例如界面需要耦合劑，否則將造成較大的時間誤差和波形的改變，最終影響到波速測量的準(zhǔn)確性。但是過多耦合劑會妨礙固化過程，甚至?xí)斐扇毕?。非接觸式方法不僅克服了這些缺點，而且保證了同樣的高精度。Lionetto等[53-54]（2007年）使用2MHz非對焦空氣耦合超聲探頭對復(fù)合材料薄板固化進行試驗，將兩個探頭在一側(cè)呈一定角度，接受板內(nèi)多次反射回波，成功表征固化度，并研究了超聲波在空氣中傳播的溫度補償方法。Aggelis等[55]（2012年）通過兩側(cè)0.5MHz超聲傳感器直接接觸PMMA（聚甲基丙酸甲酯）盤、PMMA盤夾著樹脂的方式對復(fù)合材料等溫固化進行了研究，并考慮了傳感器換能的時間延遲，證實了持續(xù)超聲監(jiān)測可分辨固化過程中關(guān)鍵元素（如溫度和粘性）的變化關(guān)系、逐漸增大的剛度和阻尼的變化，同時還能提供固化度等信息。Liebers等[10]（2012年）發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷片集成到模具上作為發(fā)射器和接收器，可以避免非線性耦合誤差，超聲波在金屬中衰減很小，可以貼在模具外側(cè)監(jiān)測。Scheerer等[56-58]基于壓電片研制了可用于固化監(jiān)測和SHM技術(shù)的超聲傳感器，先作為壓力傳感器監(jiān)測樹脂流動前沿，等其和復(fù)合材料共固化，組成SHM一部分，在試驗中證實該傳感器可被用于被動聲發(fā)射接收或主動激勵超聲導(dǎo)波，如圖2[56]所示。

綜上所述，超聲監(jiān)測具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、靈敏度和精度高的優(yōu)點，不僅可監(jiān)測凝膠化和玻璃化，而且可檢測最終成品的機械性能是否滿足要求。在用于SHM技術(shù)時，能對損傷精確定位和定量，但傳感器尺寸易影響成品性能。同時，傳感器長期在高溫下工作時穩(wěn)定性較低，監(jiān)測時需要找到合適的幾何信息，還需要對環(huán)境進行補償。

3 電學(xué)方法

電學(xué)方法用于復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測主要有阻抗法（ER）、介電法（DI）和時域反射計（Time Domain Reflectometer, TDR）等方法。

3.1 阻抗法

阻抗法中的傳感器多以點線傳感器為主，然而由于探頭大小的限制，只能使用幾百MΩ的阻抗。導(dǎo)致在測量時電壓變化很小，電噪聲會導(dǎo)致測量較大誤差。Walsh[59]（1993年）提出了基于點傳感器的SMARTWEAVE裝置，并將該裝置與模具集成應(yīng)用在RTM樹脂流動前沿與固化度監(jiān)測。然而SMARTWEAVE技術(shù)依賴于點測量，空間分辨率依賴于傳感器個數(shù)，分辨率不高、信號不連續(xù)。Barooah等[60]（1998年）使用平行線組成的直線電阻傳感器監(jiān)測樹脂流動前沿，但直線電阻傳感器會擾亂樹脂流動，安裝移除也較費時。Danisman等[61]（2007年）使用中空螺栓和銅電極制成10MΩ點電壓傳感器并集成在矩形平板模具中用于監(jiān)測樹脂流動前沿，能捕捉到快速注入時樹脂流動過程。但是傳感器對電噪聲敏感，樹脂導(dǎo)電率低導(dǎo)致電壓難以測量，傳感器體積大。此外，Luo等[62]（2014年）提出新的方法，將玻璃纖維和碳纖維本身作為傳感器，在其表面上涂上納米石墨片薄膜，制成壓縮電阻應(yīng)變傳感器，嵌入預(yù)浸漬材料中，通過監(jiān)測電阻的變化來得到固化過程中內(nèi)部應(yīng)變，并且在固化后可以作為SHM結(jié)構(gòu)，能感知到1%的應(yīng)變變化。

3.2 介電法

介電傳感器的基本原理是周圍環(huán)境介電性質(zhì)的變化引起電信號變化。Hegg[29]（2005年）使用了非侵入平行盤介電傳感器陣列來監(jiān)測RTM和VARTM工藝中復(fù)合材料固化的過程，得到樹脂流動前沿及樹脂的固化度，缺點是分辨率不夠高，且不能得到局部樹脂是否飽和的信息。Yenilmez等[63]（2009年）使用5橫10縱，一共50個介電傳感器組成的網(wǎng)格傳感系統(tǒng)與RTM工藝模具上下壁結(jié)合（圖3），能精確得到樹脂在模具空腔中的精確位置，最大誤差僅有1.3%，但系統(tǒng)可靠性較差。Garcia-Banos等[13]（2011年）使用基于梳狀電極微波共振器的系統(tǒng)實時監(jiān)測材料制造過程中的固化特性，可得到固化度、凝膠點、玻璃點等參數(shù)，具有很高的可靠性和魯棒性。Carlone等[64]（2015年）應(yīng)用了平行盤介電傳感器監(jiān)測基于預(yù)浸料和干纖維的LCM工藝樹脂流動前沿位置及固化度的變化，試驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果一致。Yang等[65]（2016年）使用柔性印刷電路技術(shù)制造了體積更小的柔性介電傳感器，其對成品性能損傷非常小，能被嵌入增強纖維中用于VARI工藝。

3.3 電時域反射

圖2 超聲傳感器在RTM工藝和SHM中的應(yīng)用Fig. 2 Application of ultrasonic sensors in RTM process and SHM

圖3 介電傳感器集成在RTM模具上Fig.3 Dielectric sensors integrated with the mold

電時域反射（TDR）監(jiān)測復(fù)合材料固化的原理是利用固化過程中阻抗的不連續(xù)造成TDR反射信號的變化。Dominauskas等[66]（2003年）使用了TDR來監(jiān)測LCM中樹脂流動前沿，將雙線TDR傳感器埋入纖維中，試驗結(jié)果表明TDR可同時監(jiān)測VARTM中的多個樹脂流動前沿。但由于樹脂的分散性，TDR信號會發(fā)生損失及多次反射，導(dǎo)致了精確度和靈敏度具有一定局限性。Dominauskas等[67]（2007年）提出了基于傳輸線的分布式TDR傳感系統(tǒng)，采用改進的基于反射歷程算法的非一致傳輸線模型來計算前沿分布，與前面結(jié)果相比，誤差低于1%。Pandey等[68]（2013年）使用高頻時域反射計不僅監(jiān)測到VARTM中的樹脂流動前沿，并且通過監(jiān)測復(fù)合材料阻抗的變化來表征固化過程，結(jié)果與DSC幾乎一致。Buchmann等[69]（2016年）研制了差分式電時域反射計與帶金屬編織屏蔽的柔性扁平電纜傳感器相結(jié)合的系統(tǒng)，克服了電時域反射計用在可導(dǎo)電增強纖維復(fù)合材料固化時信號雜亂的問題，而且差分算法對返回信號中阻抗不連續(xù)點計算精確度達0.3%，結(jié)果表明此系統(tǒng)可測得樹脂流動前沿和固化度。但因有金屬編制屏蔽罩，熱膨脹系數(shù)較大，會對結(jié)果精度及成品性能造成一定影響。

綜上所述，電學(xué)方法是各種監(jiān)測方法中最簡易直接的辦法，上述3種方法的對比見表3。但是電學(xué)方法與其他方法相比較，有著致命缺點，如易受電磁場影響，現(xiàn)在幾乎不能用于碳纖維增強復(fù)合材料中。雖然文獻[69]研制出了帶電磁屏蔽的傳感器，但在碳纖維試驗中所表現(xiàn)出的精度還有待提高。

4 熱學(xué)方法

復(fù)合材料固化過程中溫度監(jiān)測多采用熱電偶（TC）。某些光纖和超聲方法需要將熱電偶放入模具甚至是嵌入復(fù)合材料固件中，進行內(nèi)部溫度測量[23,37,43,53-54]。此外，可根

據(jù)樹脂溫度差和交聯(lián)反應(yīng)的放熱特性，使用熱電偶監(jiān)測一些固化特性。Konstantopoulos等[26]將熱電偶與干纖維壓在一起，放入模具中，測得了固化度和樹脂流動。Tuncol等[70]（2007年）將熱電偶集成在模具上，監(jiān)測到RTM工藝中樹脂流動前沿。但是這些結(jié)果精度都不高，誤差最高達16%，并且需要布置大量傳感器，只能在確定的工藝條件下工作，不適合應(yīng)用于金屬模具。

表3 電學(xué)方法對比

除了熱電偶外，Konstantopoulos等[26]和Pineda等[71]使用了紅外熱成像法（IR）得到LCM工藝中固化度及樹脂流動前沿。但該方法具有一定局限，如紅外成像只能用于開模或透明模具的工藝中，且易受環(huán)境因素干擾，得到結(jié)果也僅是表面信息。綜上可知，熱學(xué)方法多為輔助，需要和其他方法配合使用才能更加精確有效。

上述監(jiān)測技術(shù)都能單獨用于復(fù)合材料固化特性的監(jiān)測。綜合考慮各項技術(shù)的監(jiān)測量、適用場合、傳感器特征、系統(tǒng)特征及特殊功能等，對這些技術(shù)進行對比，如表4所示。從對比結(jié)果來看，光纖方法可監(jiān)測的物理量廣、技術(shù)手段多、可多路復(fù)用、對成品質(zhì)量影響小，又可實現(xiàn)固化后整體SHM技術(shù)，因此具有明顯優(yōu)勢。

固化過程監(jiān)測的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

1 發(fā)展趨勢

復(fù)合材料固化成型監(jiān)測是自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，同時也是決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，因此各行業(yè)愈加重視各種SHM技術(shù)在復(fù)合材料液體成型制造上應(yīng)用。綜合目前研究，復(fù)合材料液體成型固化監(jiān)測的發(fā)展趨勢如下：

（1）多種傳感技術(shù)的集成融合應(yīng)用。傳感器向小型化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和分布式發(fā)展，監(jiān)測范圍從點到面。將各種光、電、熱傳感器通過表面粘接或嵌入方法集成一體，對固化過程中的不同物理量進行監(jiān)測。表面粘接是將傳感器布置在模具表面，嵌入式方法是將傳感器與預(yù)浸料結(jié)合，永久布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部?？湛虯380鉸鏈臂的RTM工藝生產(chǎn)過程中采用FBG傳感器、介電傳感器和熱電偶集成在同一傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測從生產(chǎn)到裝配過程中的殘余應(yīng)力[72]。

（2）固化過程注重監(jiān)測與主動控制相結(jié)合。隨著材料科學(xué)、制造工藝、微納電子以及信息科學(xué)等技術(shù)迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多能集傳感、驅(qū)動、通信和計算為一體的多功能傳感系統(tǒng)[73-74]，這為復(fù)合材料液體成型過程的實時監(jiān)測和主動控制優(yōu)化有機結(jié)合提供了契機，有望實現(xiàn)復(fù)合材料智能制造。

（3）固化監(jiān)測向全壽命周期監(jiān)測發(fā)展。復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測是利用復(fù)合材料制造過程中集成在內(nèi)部的傳感器，不僅監(jiān)測固化特性，保障成品質(zhì)量，并且能結(jié)合傳感網(wǎng)絡(luò)獲得的所有信息，準(zhǔn)確地評估其全壽命周期中的內(nèi)部狀態(tài)[75-77]。本研究探討可用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命周期健康監(jiān)控的多功能傳感“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，給出了用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命健康監(jiān)控的“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架與功能（圖4）。

2 面臨挑戰(zhàn)

復(fù)合材料固化成型過程涉及許多復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，再加上復(fù)合材料的各向異性和制造工藝的復(fù)雜性，要實現(xiàn)復(fù)合材料液體成型制造過程中的全方位的實時監(jiān)測，未來要解決的問題集中在3個方面：

（1）如何解決嵌入或接觸傳感器對復(fù)合材料成品影響。現(xiàn)在的嵌入或直接接觸方法中，只有光纖傳感器對復(fù)合材料成品性能的影響很小，其他傳感器在工業(yè)實際中應(yīng)用很少。如何在盡可能監(jiān)測多物理量條件下降低對成品性能的影響，這將是未來主要解決的問題。

（2）如何解決SHM技術(shù)內(nèi)外相連接問題。多數(shù)技術(shù)的具體應(yīng)用還停留在實驗室階段，原因是在工業(yè)中應(yīng)用遇到需要特殊模具、大量的連接線以及嵌入式傳感器閉模和開模過程對傳輸線的影響、傳感器定位與后續(xù)加工沖突等問題。

（3）如何構(gòu)建監(jiān)測參數(shù)的三維特征和保證SHM技術(shù)的精度。大多數(shù)試驗還停留在二維面的監(jiān)測。只能得到傳感器埋在位置附近或軸向的二維數(shù)據(jù)分布，沒有考慮剪應(yīng)變、縱向的樹脂流動等分布問題。在固化后殘余應(yīng)力等會影響傳感器的精度和靈敏度，需要克服這些內(nèi)部影響，保證后續(xù)SHM技術(shù)的可靠使用。

結(jié)束語

隨著傳感器技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)、固化動力學(xué)及相關(guān)信號處理分析、測試軟硬件技術(shù)等快速發(fā)展，復(fù)合材料固化監(jiān)測方法和技術(shù)的研究出現(xiàn)了新契機。

光纖方法、超聲方法、電學(xué)方法和熱學(xué)方法都證明了其在監(jiān)測復(fù)合材料固化過程的有效性，但也存在局限性?？傮w而言，光纖和超聲方法具有重要發(fā)展?jié)摿?，適合于全壽命周期監(jiān)測，但是目前大多還都停留在實驗室階段。隨著研究的深入，這些新技術(shù)將為大型化、智能化、集成化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖4 傳感器網(wǎng)絡(luò)用于復(fù)合材料全壽命周期監(jiān)測Fig.4 Sensor networks for composites life cycle monitoring

表4 各種技術(shù)方法對比

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