基于光纖光柵傳感器的碳纖維全纏繞塑料內(nèi)襯氣瓶的應(yīng)變檢測

摘" 要：針對碳纖維全纏繞塑料內(nèi)襯氣瓶檢測的需求，提出了一種光纖光柵傳感器植入復(fù)合材料氣瓶的方法，將碳纖維帶和凱夫拉材料補(bǔ)強(qiáng)包裹的光纖順著纖維方向隨著碳纖維一起纏繞，最后固化。開設(shè)了12根光纖光柵應(yīng)變傳感器通道植入復(fù)合材料氣瓶的試驗(yàn)，其中10只傳感器在復(fù)合材料氣瓶固化后保持存活，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料氣瓶固化、水壓試驗(yàn)過程中的應(yīng)變檢測。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了光纖光柵傳感器植入復(fù)合材料Ⅳ型氣瓶進(jìn)行應(yīng)變檢測的可行性。

關(guān)鍵詞：高壓氣瓶；復(fù)合材料；應(yīng)變；光纖光柵；光纖傳感器

Strain detection of fully-wrapped carbon fiber

reinforced cylinders with a plastic liner based

on fiber grating sensor

JI Zengxiang，WANG Sihan*

（Sinoma Science amp; Technology （Su Zhou） Co.， Ltd.， Suzhou 215021）

Abstract：For the needs of plastic liner carbon fiber fully wound gas cylinder testing， a fiber grating sensor implanted in composite gas cylinders is proposed， the carbon fiber tape and Kevlar material reinforcement wrapped optical fiber along with the carbon fiber winding in the direction of the fiber， and finally curing. Opened 12 fiber grating strain sensor channel implanted composite gas cylinder test， of which 10 sensors in the composite gas cylinder after curing to keep alive， to achieve the composite gas cylinder curing， hydrostatic test process of strain detection. The results show that the feasibility of implanting fiber grating sensors into composite type IV cylinders for strain detection is verified.

Keywords：high pressure gas cylinder；composite material；strain；fiber grating；fiber optic sensors

通訊作者：王思寒，男，碩士。研究方向?yàn)閺?fù)合材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：wangsh@sinomatech.com

1" 引言

氫能作為一種零碳能源具有來源豐富、環(huán)保、燃值高、無污染、儲運(yùn)便捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉?。氫能的利用形式十分廣泛，氫燃料電池汽車、燃料電池電站、燃料電池叉車、電信基站應(yīng)急備用電源等氫能利用的典型產(chǎn)品已逐步推廣，對解決世界面臨的能源和環(huán)境問題具有重要意義。氫能利用包括生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)，安全可靠的儲氫技術(shù)是決定氫能能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。車用儲氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫。其中，高壓儲氫以設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氧制備能耗低、充排氣速度快等優(yōu)勢，成為氫能儲運(yùn)的絕對主流［1］。

Type-Ⅳ型FW（Filament wound）復(fù)合材料壓力容器如圖1所示［2］，通過FW法制作的塑料內(nèi)襯碳纖維全纏繞氣瓶兼顧了高強(qiáng)度和輕量化，第二代豐田MIRAI氫燃料電池轎車就是采用這種氣瓶［3］。隨著氫燃料電池和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，Type-Ⅳ型儲氫氣瓶因?yàn)槠渲亓枯p、抗疲勞等特點(diǎn)正成為全球研究熱點(diǎn)。目前，日本、韓國、美國、德國、挪威等國正在批量生產(chǎn)Type-Ⅳ型儲氫氣瓶，其他國家也有相關(guān)計(jì)劃加大對Type-Ⅳ型氣瓶的研究力度。

復(fù)合材料氣瓶的塑料內(nèi)襯主要起密封作用，并不承載壓力，載荷主要由外部的復(fù)合材料層承擔(dān)，因此氣瓶減重需要采用輕、薄的塑料內(nèi)襯。在復(fù)合材料氣瓶的制備過程中需要對纖維施加一定的纏繞張力，一方面是為了增加復(fù)合材料的密實(shí)度，提高碳纖維的發(fā)揮強(qiáng)度；另一方面是對塑料內(nèi)襯施加背壓壓力，防止在纏繞過程中內(nèi)襯的預(yù)填充壓力和外部背壓壓力對氣瓶整體形狀的影響，如過度膨脹和屈曲失穩(wěn)等［4］。隨著車載儲氫容器的發(fā)展，氣瓶減重對塑料內(nèi)襯厚度的要求越來越高。塑料內(nèi)襯厚度的減薄對復(fù)合氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型過程的定量控制提出了更高的要求，同時(shí)在產(chǎn)品使用過程中，如果能提供實(shí)時(shí)檢測應(yīng)變的能力也能極大提高高壓容器的安全預(yù)警能力。所以迫切需要在復(fù)合氣瓶的制備和測試過程中檢測塑料內(nèi)襯以及層間纖維的應(yīng)變，以支持復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)和制造工藝的優(yōu)化。光纖光柵傳感器具有光纜少、體積小、重量輕、測量點(diǎn)多、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。它們可以植入復(fù)合材料全纏繞氣瓶內(nèi)部，安裝在塑料內(nèi)襯的外表面或復(fù)合材料層之間，實(shí)現(xiàn)復(fù)合氣瓶金屬內(nèi)部不同位置的應(yīng)變檢測［5］。

本文針對碳纖維全纏繞塑料內(nèi)襯氣瓶設(shè)計(jì)驗(yàn)證和檢測需求，開展基于光纖光柵傳感器［6］的復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)變檢測研究，設(shè)計(jì)了光纖光柵傳感器植入氣瓶中的工藝方法，在內(nèi)襯表面和碳纖維層間植入傳感器，實(shí)現(xiàn)對氣瓶各位置的應(yīng)變檢測。

2" 光纖光柵傳感器植入塑料內(nèi)襯碳纖維全纏繞氣瓶的試驗(yàn)流程

2.1" 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

2.1.1" 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

利用光纖光柵中心波長與應(yīng)變的線性關(guān)系，在纏繞氣瓶復(fù)合層分布光纖感知元件，對纏繞氣瓶的工藝參數(shù)和安全性能參數(shù)進(jìn)行檢測，驗(yàn)證其可行性和有效性。

2.1.2" 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）全纏繞過程中預(yù)埋光纖光柵；

（2）水壓試驗(yàn)，進(jìn)行分段打壓，同時(shí)檢測應(yīng)變數(shù)據(jù)；

（3）測試數(shù)據(jù)整理和分析，工藝適應(yīng)性總結(jié)。

2.2" 工藝流程和工藝參數(shù)

2.2.1" 工藝流程

工藝流程分為三個(gè)主要步驟：

（1）準(zhǔn)備階段：首先準(zhǔn)備內(nèi)襯、纖維、樹脂和光纖等材料。這一步為后續(xù)的纏繞試制做準(zhǔn)備；

（2）纏繞試制：在這一階段，進(jìn)行纏繞試制的過程，同時(shí)預(yù)埋光纖。這是一個(gè)關(guān)鍵步驟，目的是通過纏繞工藝將纖維和樹脂結(jié)合到內(nèi)襯上，并在此過程中預(yù)埋光纖以便后續(xù)檢測；

（3）水壓測試：檢測材料在高壓環(huán)境下的反應(yīng)，整個(gè)流程從材料準(zhǔn)備到試制，再到最終測試，確保了試驗(yàn)過程的完整性和有效性，如圖2所示。

2.2.2" 工藝參數(shù)

（1）內(nèi)襯尺寸：內(nèi)襯軸向總長1200 mm，直徑265 mm；

（2）纏繞：碳纖維環(huán)向纏繞加螺旋纏繞；

（3）固化：環(huán)氧樹脂體系按照工藝制度固化；

（4）壓力：公稱工作壓力為70 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為105 MPa。

2.3" 光纖預(yù)埋方法

2.3.1" 纏繞預(yù)埋光纖光柵氣瓶

（1）準(zhǔn)備好設(shè)備、工裝、纏繞主材、光纖光柵、光纖光柵碳帶和凱夫拉纖維等；

（2）在Layer 2螺旋纏繞時(shí)，在內(nèi)襯表面沿軸向方向布置一根光纖光柵碳帶，均布6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（3）在Layer 4螺旋纏繞時(shí)，在內(nèi)襯表面沿軸向方向布置一根光纖光柵碳帶，均布6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（4）在Layer 6環(huán)向纏繞時(shí)，在纏繞層內(nèi)環(huán)向方向約1/4 處、1/2處、3/4處布置3個(gè)檢測環(huán)（光纖光柵或凱夫拉纖維），每個(gè)環(huán)上均布4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（5）在Layer 14環(huán)向纏繞時(shí)，在纏繞層內(nèi)約1/4處、1/2處、3/4處布置3個(gè)檢測環(huán)（光纖光柵或凱夫拉纖維），每個(gè)環(huán)上均布4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（6）在Layer 16螺旋纏繞時(shí)，沿著纖維纏繞方向布置一根光纖光柵，均布6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（7）在Layer 17螺旋纏繞時(shí)，沿著纖維纏繞方向布置一根光纖光柵，均布6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（8）最后環(huán)纏時(shí)，靠近瓶口一側(cè)的纏繞層內(nèi)布置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

（9）此次固化過程要求水平旋轉(zhuǎn)；

（10）纏繞過程中取復(fù)絲樣對本批次纖維和 NOL 環(huán)進(jìn)行評價(jià)［7］，用于驗(yàn)證材料本體強(qiáng)度滿足工藝要求。

2.3.2" 水壓、分段打壓檢測應(yīng)變

氣瓶充滿水，引出跳線與解調(diào)儀連接好，進(jìn)行分段打壓：10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa、100 MPa、105 MPa，其中各個(gè)壓力下需保壓30 s，連續(xù)重復(fù)測試三遍，檢測應(yīng)變。

碳纖維纏繞結(jié)束、復(fù)合材料固化后，對氣瓶中預(yù)埋的光纖光柵監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行打壓前失效檢查。鋪設(shè)光纖總共分為三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)置，在貼合內(nèi)襯的表面為氣瓶軸向碳帶包裹的光纖，總計(jì)4根光纖；在第一層碳纖維纏繞完成后設(shè)置的光纖，其方向也是軸向碳帶包裹的光纖，總計(jì)5根光纖；最后為第一層環(huán)向纏繞時(shí)設(shè)置的光纖，為裸纖，因?yàn)榇颂幨艿降纳舷聦蛹羟辛^小，總計(jì)3根光纖。表1為每根測試光纖上的通道編號、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量、測量目標(biāo)。三個(gè)部分共12個(gè)通道，在固化完成后有兩條通道在固化過程中由于擠壓已經(jīng)失效。

3" 纏繞階段以及固化后注意事項(xiàng)

在纏繞階段，不同于II型氣瓶的環(huán)向纏繞，IV型氣瓶的全纏繞會(huì)導(dǎo)致光纖的引出相對困難，不管是小角度還是大角度斜纏，光纖都需要在瓶口封頭處引出，由于高壓氣瓶瓶口封頭的設(shè)計(jì)獨(dú)特性，其區(qū)域并不是平順光滑，所以需要對其進(jìn)行預(yù)打磨處理，如圖3所示。對瓶口處一圈每隔120°向徑向方向打磨一個(gè)小坑，目的是為了讓光纖平順的從口部引出，過小的折角會(huì)使光纖折斷，使光纖光柵失去檢測能力。在纏繞靠內(nèi)測的碳纖維層時(shí)，因?yàn)檎?fù)角度彼此堆疊層層纏繞，光纖裸纖直接隨著碳纖維預(yù)埋其中會(huì)使得光纖由于固化過程中或是充放壓過程中層間受到的剪切力過大而發(fā)生折斷，所以靠近內(nèi)側(cè)的光纖光柵要在外側(cè)包裹碳帶或是凱夫拉材料，對光纖進(jìn)行外部補(bǔ)強(qiáng)。

固化后也需重點(diǎn)關(guān)注纏繞工裝的拆除，因?yàn)槔p繞過程中很難阻擋樹脂沿光纖流動(dòng)，樹脂固化后可能會(huì)將光纖粘接到工裝上，導(dǎo)致光纖損傷或可靠性下降。較為合適的操作方法是，離光纖較遠(yuǎn)處使用工具手動(dòng)剔除固化后的膠體，離瓶口處較近處采用丁烷噴槍對工裝進(jìn)行加熱軟化膠體，緩慢剔除膠體。

4" 復(fù)合材料氣瓶模型描述

按T/CATSI02007-2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)襯碳纖維全纏繞氣瓶》的規(guī)定要求和設(shè)計(jì)要求，分析氣瓶在公稱工作壓力、最大許用工作壓力和水壓壓力下纏繞層和內(nèi)襯的應(yīng)力。同時(shí)保證：纖維應(yīng)力系數(shù)（最小設(shè)計(jì)爆破壓力下纖維的應(yīng)力與公稱工作壓力下的纖維應(yīng)力之比值）不應(yīng)小于2.3；在最小設(shè)計(jì)爆破壓力下，內(nèi)襯、纖維纏繞層和金屬閥座應(yīng)力不大于設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度最小保證值。水壓試驗(yàn)示意如圖4所示［8］。

注：1-試驗(yàn)用水水槽；2-進(jìn)水閥；3-排水閥；4-加壓裝置；5-受試瓶；6-專用接頭；7-壓力表；8-截止閥；9-標(biāo)準(zhǔn)壓力表；10-加壓裝置前壓力表。

5" 氣瓶水壓試驗(yàn)光纖檢測數(shù)據(jù)

水壓試驗(yàn)后的光纖光柵應(yīng)變傳感器測量值如圖5、圖6和圖7所示，橫軸為現(xiàn)實(shí)中試驗(yàn)時(shí)間，縱軸數(shù)值為微應(yīng)變大小，三張為三個(gè)部分最具代表性的相應(yīng)通道，分別為3通道（氣瓶軸向）、8通道（氣瓶軸向）、14通道（氣瓶桶身環(huán)向），圖中皆為散點(diǎn)構(gòu)筑的曲線，空隙部分為檢測失效或是檢測值為0的點(diǎn)。其中，水壓試驗(yàn)總計(jì)進(jìn)行了4個(gè)階段，分別是從0 MPa填充到30 MPa、0 MPa填充到60 MPa、0 MPa填充到105 MPa并重復(fù)一次。

從3通道（氣瓶軸向）和8通道（氣瓶軸向）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以看出，貼合內(nèi)襯的軸向3通道峰值處失效的點(diǎn)數(shù)據(jù)相比后一層的軸向8通道要多，判定原因是徑向靠內(nèi)側(cè)的碳帶承受的剪切力較外側(cè)的大，所以在壓力較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)無法測出數(shù)據(jù)。14通道（氣瓶桶身環(huán)向）的數(shù)據(jù)檢測散點(diǎn)圖中可以看出數(shù)據(jù)相對完整，因?yàn)楦S環(huán)向碳纖纏繞的裸纖收到周身的剪切力較小，光纖方向與碳纖維纏繞方向相吻合，并不會(huì)受到影響。三條通道檢測圖中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)由于分布在筒身上的位置不同，而工藝存在相對微小誤差，實(shí)際氣瓶并不是一個(gè)完美的回轉(zhuǎn)體，所以數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)高低分布的狀態(tài)。各通道試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表2所示。

6" 結(jié)語

本文提出了一種基于光纖光柵傳感器植入碳纖維全纏繞塑料內(nèi)襯氣瓶的方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料氣瓶纏繞、固化、水壓試驗(yàn)等過程中的應(yīng)變檢測，為光纖光柵傳感器植入復(fù)合材料高壓容器進(jìn)行應(yīng)變檢測應(yīng)用奠定了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)，研究結(jié)論如下：

（1）在室溫下通過將光纖光柵傳感器粘結(jié)在塑料內(nèi)襯表面，同時(shí)纏繞各種方向的碳纖維，且沒有使得光纖監(jiān)測點(diǎn)大部分失效，總計(jì)12條光纖檢測通道，出現(xiàn)了兩個(gè)失效通道，在試驗(yàn)開始時(shí)通道存活率為84 %；

（2）通過固化后對瓶口膠體進(jìn)行加溫軟化，避免了硬接觸導(dǎo)致光纖折斷；

（3）缺失數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)異常區(qū)域大部分在保壓階段，隨著試驗(yàn)時(shí)間推移，數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象也隨之增加；

（4）試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖與碳纖維之間的夾角較大時(shí)容易發(fā)生光纖光柵傳感器信號丟失，為光纖光柵傳感器植入復(fù)合材料高壓氣瓶的工藝優(yōu)化提供了相應(yīng)參考。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉洋，于欣.低碳能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展下氫能的問題及策略分析［J］.產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2023（6）：15-17.

［2］吉增香，朱金春，宋明偉，等.環(huán)氧樹脂改性及在濕法纏繞成型中的進(jìn)展［J］.纖維復(fù)合材料，2024（3）：102-107.

［3］CALUM P. FOWLER， ADRIAN C. ORIFICI， CHUN H. WANG. A review of toroidal composite pressure vessel optimisation and damage tolerant design for high pressure gaseous fuel storage［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2016，41（47）：22070.

［4］伍慶龍，張?zhí)鞆?qiáng).豐田燃料電池汽車Mirai技術(shù)分析［J］.汽車文摘，2020（4）：18-21.DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20200015.

［5］付敏，林松，陳亮，等.纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯的屈曲分析［J］.材料科學(xué)與工藝，2015，23（2）：86-90.

［6］李明輝，黃鵬宇，陳詩，等.基于光纖光柵的風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)變與振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，55（5）：898-904.DOI：10.16356/j.1005-2615.2023.05.016.

［7］闞寶璽，楊超，王學(xué)鋒等.基于光纖光柵傳感器的復(fù)合材料氣瓶應(yīng)變檢測［J］.宇航材料工藝，2023，53（2）：111-116.

［8］左千.纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器爆破壓力研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.浙江大學(xué)，2022.DOI：10.27461/d.cnki.gzjdx.2022.001261.

［9］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).氣瓶水壓試驗(yàn)方法：GB/T 9251-2022［S］.