基于FBG傳感器的碳纖維復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力研究.pdf

1、先進(jìn)復(fù)合材料(Advanced Composite Materials，ACMs)由于其自身優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量和抗腐蝕、抗磨、抗疲勞等性能，已經(jīng)成為飛機(jī)的四大結(jié)構(gòu)用材料之一。但在復(fù)合材料固化成型過程中，因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維和樹脂的熱膨脹系數(shù)的不匹配性以及樹脂聚合反應(yīng)等原因，往往在復(fù)合材料中容易產(chǎn)生固化殘余應(yīng)力，而固化殘余應(yīng)力會(huì)明顯降低復(fù)合材料的性能并增大其組裝的困難，因此高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的固化過程顯得特別重要，同時(shí)內(nèi)置傳感器對(duì)復(fù)

2、合材料的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。在眾多傳感器中，布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器作為一種抗磁、抗電性能優(yōu)越的傳感器，對(duì)材料最小擾動(dòng)的方式被置入到復(fù)合材料中，從而監(jiān)測(cè)碳纖維預(yù)浸料的整個(gè)熱壓罐固化成型過程。
　　 本論文首先對(duì)FBG傳感器的應(yīng)力靈敏系數(shù)、溫度靈敏系數(shù)以及在高低溫度下的熱穩(wěn)定性等性能都做了全面細(xì)致地研究工作，結(jié)果表明，具有不同中心波長(zhǎng)的FBG

3、傳感器的應(yīng)力靈敏系數(shù)、溫度靈敏系數(shù)和在高低溫下的熱穩(wěn)定性都較相近，并與理論分析值基本一致。當(dāng)將含金屬套管的FBG傳感器和裸柵FBG傳感器同時(shí)置于環(huán)氧樹脂中，從兩根FBG傳感器的信號(hào)圖中不僅能夠很容易地辨別出樹脂固化反應(yīng)的凝膠點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)的時(shí)間，還能計(jì)算出固化反應(yīng)的放熱量和冷卻后的固化收縮量，并且還發(fā)現(xiàn)固化過程中的熱釋放過程是一個(gè)極其緩慢的過程。
　　 隨后在單向?qū)雍习鍩釅汗薜墓袒に囍?，針?duì)能夠影響固化殘余應(yīng)力大小的第

4、二升溫時(shí)間、第二保溫時(shí)間、冷卻方式、固化壓力和泄壓溫度等五個(gè)不同的固化工藝條件設(shè)計(jì)出了田口正交試驗(yàn)，并同時(shí)將FBG傳感器埋置在預(yù)浸料的中間層以便對(duì)固化的全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將得到的正交試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過田口軟件分析，找出了固化試驗(yàn)中的重要因子以及它們之間的交互作用。隨后設(shè)計(jì)出的重要因子間的優(yōu)化試驗(yàn)，找到了適合本固化試驗(yàn)的最佳固化工藝條件和-6.49MPa最小的固化殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)不同的固化工藝條件對(duì)固化殘余應(yīng)力有著顯著的影響，而即使埋置在同一鋪層間

5、不同方向上的兩個(gè)FBG傳感器也展示出了完全不同的信號(hào)變化。
　　 其次文中還對(duì)不同鋪層順序和不同鋪層厚度的固化行為和固化殘余應(yīng)大小進(jìn)行了研究。首先通過分析FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的正交和準(zhǔn)各向同性鋪層中的固化信號(hào)，重點(diǎn)研究了不同鋪層在降溫過程中的固化行為。其次還對(duì)對(duì)稱鋪層和非對(duì)稱兩種鋪層的固化行為進(jìn)行了比較，找到了對(duì)稱鋪層和非對(duì)稱鋪層在固化過程中影響FBG傳感器信號(hào)的一般規(guī)律。最后通過X衍射法對(duì)FBG傳感器測(cè)得的殘余應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證，由

6、于X衍射法要求對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，這將會(huì)釋放部分固化殘余應(yīng)力，因此X衍射法比FBG傳感器測(cè)得的殘余應(yīng)力值小，但基本趨勢(shì)是一致的。
　　 同時(shí)還對(duì)具有不同固化殘余應(yīng)力值的復(fù)合材料單向?qū)雍习逶嚇舆M(jìn)行了層間剪切強(qiáng)度測(cè)試，并將測(cè)試的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照一定的步驟進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)：四種固化條件下的B基準(zhǔn)剪切強(qiáng)度值與由FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的固化殘余應(yīng)力值之間具有近似曲線的關(guān)系，表明當(dāng)殘余應(yīng)力值大于14MPa時(shí)，固化殘余應(yīng)力越大，對(duì)剪切強(qiáng)

7、度的影響越大；當(dāng)殘余應(yīng)力值小于8MPa時(shí)，固化殘余應(yīng)力越小，對(duì)剪切強(qiáng)度的影響也越小。
　　 最后，由于不銹鋼模具的熱容較大，在固化過程的降溫階段將會(huì)在層合板的上、下表面形成一定的溫度梯度，因此本論文采用對(duì)流邊界條件用ANSYS有限元軟件對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱鋪層的固化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。將模擬得到的固化結(jié)果與光柵FBG傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，不同鋪層順序和不同鋪層厚度的預(yù)浸料在固化后的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。