莫淑華，葉樹江，王麗雪，于久灝，尹志娟 ，王 威，于 東

(1.黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150010)

多模光纖微彎壓力傳感器在真空輔助成型工藝中的應(yīng)用

莫淑華1，葉樹江1，王麗雪1，于久灝1，尹志娟1，王 威1，于 東2

(1.黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150010)

真空輔助成型是一種新型的低成本復(fù)合材料成型工藝。在成型過程中，壓力控制對產(chǎn)品的成型質(zhì)量起著重要作用。分析光纖微彎傳感器在樹脂基復(fù)合材料成型過程壓力檢測中的應(yīng)用條件，以及真空輔助成型工藝環(huán)境對光纖微彎傳感器測試結(jié)果的主要影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:光纖微彎傳感器在單層真空袋的液體成型過程中，同時(shí)受到成型過程中的壓力變化導(dǎo)致光纖彎曲和由于樹脂包裹引起折射率變化兩個(gè)因素的影響。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料真空輔助成型工藝中壓力與樹脂流動(dòng)前鋒的測量。

真空輔助成型；微彎傳感器；多模光纖；壓力傳感器

真空輔助成型是一種新型的低成本復(fù)合材料成型工藝[1-4]，該成型工藝先將成型料置于模具中形成一定形狀，在固化前，通過聚乙烯或聚丙烯醇袋將模具與制件包裹起來進(jìn)行抽真空操作，排除增強(qiáng)纖維預(yù)成型體中的氣體，使預(yù)成型體表面受到的大氣壓力作為成型壓力，也可通過加壓氣體或液體提高成型壓力下、樹脂的流動(dòng)及其在重力作用下的滲透，實(shí)現(xiàn)對纖維織物的浸潤，并在一定溫度條件下進(jìn)行固化成型。真空袋成型的制品質(zhì)量高，工藝能適應(yīng)聚酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂體系。其成型模具相對簡單，成本較低，成型周期短，操作環(huán)境較好，是一種操作簡易的成型方法。

在成型過程中，壓力控制對產(chǎn)品的成型質(zhì)量起著重要作用，成型過程中的壓力決定成型后產(chǎn)品的厚度與纖維的體積含量，同時(shí)，樹脂在纖維增強(qiáng)體中的流速及在厚度方向上的滲透速率也受到壓力的影響。因此，檢測預(yù)成型體中的壓力變化與底層纖維中樹脂的流動(dòng)位置變化，對成型工藝中的加壓時(shí)間及過流時(shí)間的控制具有重要的意義。本研究目的在于將微彎光纖傳感器應(yīng)用在復(fù)合材料液體成型工藝中，在線檢測工藝過程中的壓力變化和樹脂的流動(dòng)前鋒，為液體成型時(shí)控制工藝參數(shù)提供必要的參考依據(jù)。

1 光纖微彎傳感器原理及設(shè)計(jì)

光纖微彎傳感器工藝簡單,靈敏度高,因此，本文采用光纖微彎傳感器作為監(jiān)測傳感元件。如果將光纖微彎傳感器嵌入到復(fù)合材料中,不僅可以用于檢測加工階段的固化進(jìn)程情況,同時(shí)固化后的傳感元件也可以用于結(jié)構(gòu)件在服役條件下的局部健康監(jiān)測。

1.1 光纖微彎傳感器原理

當(dāng)光纖受到彎曲擾動(dòng)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生微彎損耗,主要表現(xiàn)為兩種形式：純彎損耗和傳輸損耗。光纖軸向彎曲而產(chǎn)生的光強(qiáng)損耗機(jī)制源于空間濾波、模式耦合效應(yīng)，當(dāng)光纖彎曲時(shí)產(chǎn)生模式耦合,導(dǎo)致纖芯中傳輸?shù)膶?dǎo)模輻射到光纖之外致使光強(qiáng)損失。由于實(shí)驗(yàn)中采用裸光纖作為傳感段，當(dāng)光纖表面有樹脂流過時(shí)，光在接觸面上會(huì)發(fā)生折射損耗，對應(yīng)產(chǎn)生光強(qiáng)變化。試驗(yàn)測試中采用亮場檢測原理,在光強(qiáng)測試系統(tǒng)中，LD光源產(chǎn)生光波，通過引導(dǎo)光纖進(jìn)入傳感光纖，變形器由于外在微小位移的作用產(chǎn)生微彎和變形，導(dǎo)致多模光纖的傳導(dǎo)光通量變化，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的檢測，以電壓信號(hào)的形式進(jìn)行顯示和輸出。

1.2 光纖微彎傳感器設(shè)計(jì)

通常的光纖微彎傳感器設(shè)計(jì)采用具有固定空間周期的齒狀結(jié)構(gòu)，光纖夾在齒狀結(jié)構(gòu)中間,這種結(jié)構(gòu)形式稱為外部微彎裝置[5-6],如圖1所示。

圖1 光纖微彎傳感器

外部微彎裝置結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適合埋入到復(fù)合材料內(nèi)部，因此，需要對復(fù)合材料預(yù)制體中的光纖傳感器進(jìn)行重新設(shè)置。如圖2所示，利用復(fù)合材料基體本身結(jié)構(gòu)，在纖維織物中穿入光纖，使傳感段置于監(jiān)測部位，在光纖的上下兩側(cè)布置銀針調(diào)節(jié)器，用于在外界壓力的作用下產(chǎn)生周期性的彎曲，光纖的微彎周期增加使得光纖中的光強(qiáng)衰減。隨光纖的微彎程度變化,導(dǎo)致輸出光功率的改變,故可以通過測量輸出光功率變化間接地測量復(fù)合材料成型過程中的外部壓力大小,實(shí)現(xiàn)微彎傳感器功能。

2 實(shí)驗(yàn)材料及工藝

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用的纖維織物為雙軸向(±45°)碳纖維無屈曲織物(NCF,HTS 12K-Aero)，面密度為265 g/m2。樹脂為 HUNTSMAN 環(huán)氧樹脂(AralditeLY 1564 SP)，固化劑為Hardener XB 3486，樹脂與固化劑的體積混合比例為100∶45，常溫下混合黏度為180 MPa·s。固化溫度為80℃保溫2 h。

圖2 嵌入式光纖微彎傳感器

2.2 固化工藝

實(shí)驗(yàn)使用底面具用鑄鋁加熱板加熱的鋼化玻璃作為平板模具。清潔模具并均勻涂抹脫模劑后，首先將預(yù)埋好的微彎光纖傳感器的纖維布鋪放在最下層緊貼模具表面，再把已裁剪成大小為20 cm×60 cm的12層NCF織物鋪放在模具上，在織物上依次鋪放脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)，并使用密封膠條真空進(jìn)行封裝，啟動(dòng)真空泵，壓實(shí)織物后，仔細(xì)檢查膜腔內(nèi)的密封性，如圖3所示。

圖3 光纖監(jiān)測VARI工藝樹脂流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與討論

觀察實(shí)驗(yàn)可見，預(yù)成型體中纖維的壓力變化可分為以下幾個(gè)階段：

第一階段：當(dāng)初始真空處理時(shí)纖維織物受到的壓力為外界大氣壓力,此時(shí)，微彎傳感器的彎曲程度最大，電壓由初始的14 mV下降到9 mV。

第二階段：在樹脂模充模過程中，膜腔內(nèi)的壓力由預(yù)成型體所受的凈壓力與樹脂壓力共同承擔(dān)，可表示為[7-9]

Pc=Pr+Pn.

(1)

式中：Pc為總壓力(外界大氣壓力，且保持不變),Pr為樹脂壓力,Pn為預(yù)成型體所受的凈壓力。

當(dāng)樹脂進(jìn)入膜腔內(nèi)，樹脂承擔(dān)一部分壓力，而總壓力為外界大氣壓力保持不變，根據(jù)式(1)，預(yù)成型體所受的凈壓力減小。微彎傳感器的彎曲幅度減小，電壓由9 mV上升至12.5 mV。在樹脂充模過程中，當(dāng)樹脂未到達(dá)裸露纖芯點(diǎn)時(shí)，光纖傳輸較強(qiáng)的光信號(hào)，而當(dāng)樹脂流動(dòng)前鋒到達(dá)裸露纖芯點(diǎn)時(shí)，由于樹脂的折射率高，一部分光能量散射到樹脂中，傳輸光信號(hào)強(qiáng)度有較大的損耗，如圖4所示。將這些信號(hào)損耗轉(zhuǎn)換為可測量的電信號(hào)，就可探測到樹脂流動(dòng)前鋒是否到達(dá)裸露纖芯點(diǎn)。每一傳感段的長度可事先測定，記錄樹脂流到傳感段始端信號(hào)減弱的時(shí)間，以及樹脂流到傳感段末端信號(hào)趨于平穩(wěn)的時(shí)間，則可得到樹脂流經(jīng)傳感段的平均速度。試驗(yàn)中設(shè)置了3個(gè)傳感器用于采集壓力和樹脂流動(dòng)前鋒，因此，在圖4中顯示前3次電壓降。當(dāng)樹脂充滿模腔后，樹脂流動(dòng)趨于穩(wěn)定，預(yù)成型體承擔(dān)的壓力趨于穩(wěn)定。

圖4 預(yù)制體壓力與樹脂流動(dòng)前鋒所導(dǎo)致電壓隨時(shí)間變化曲線

第三階段：樹脂注入關(guān)閉后，持續(xù)抽真空，導(dǎo)致樹脂壓力迅速下降，根據(jù)式(1)，預(yù)成型體所受的凈壓力迅速增加。因此，在圖4中顯示出第4次電壓降。這一階段織物凈壓力增大對預(yù)成型體厚度的變化起到主導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

1)自行設(shè)計(jì)的嵌入式光纖微彎傳感器，由于體積小、靈敏度高以及其特殊的傳感機(jī)理,擺脫了傳統(tǒng)測試手段在材料內(nèi)部應(yīng)用上的體積限制,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對液體成型工藝中的預(yù)成型體壓力和樹脂流動(dòng)前鋒的監(jiān)測。使光纖微彎傳感器在復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓展。

2)真空輔助成型工藝在成型過程中，預(yù)成型體壓力變化可分為三個(gè)階段：第一階段為樹脂浸入階段，預(yù)成型體壓力由初始的一個(gè)大氣壓迅速減??；第二階段為樹脂過流控制階段，預(yù)成型體壓力變化相對很小，維持在較低水平；第三階段為樹脂管關(guān)閉，預(yù)成型體壓力迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Applicationofmulti-modeopticalfibermicro-bendsensorforpressuremeasurementintheVacuumAssistedFormingprocess

MO Shu-hua1，YE Shu-jiang1，WANG Li-xue1，YU Jiu-hao1，YIN Zhi-juan1，WANG Wei1，YU Dong2

(1.College of Materials and Chemistry Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150010，China)

Vacuum Assisted Forming is a new type of low-cost composite forming process,and the compression controlling plays an important role on forming quantity in this procedure. It analyzes the application condition of the optical fiber micro-bend sensor for pressure measurement during the forming process of resin matrix composites,and the main influence of the test results from optical fiber micro-bend sensor under the process environment of Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI).The experiment demonstrates that,in the liquid forming process of single vacuum bag,the optical fiber micro-bend sensor is influenced by two factors,which are the bending of the optical fiber caused by pressure of forming process,and the variation of reflective index resulted by enclosing the resin. Based on the given factors and the experiment results,the accurate measurement of the pressure during process of composite material in VARI and the resin flow front are implemented.

VARI;micro-bend sensor;multi-mode optical fiber;pressure sensor

2014-06-13

黑龍江省重點(diǎn)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZJG0607-02)

莫淑華(1955-)，女，教授，研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與系統(tǒng).

TP212

A

1671-4679(2014)05-0024-03