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)異的比強度、比模量和抗腐蝕、抗磨、抗疲勞等性能，已經(jīng)成為飛機的四大結(jié)構(gòu)用材料之一。但在復(fù)合材料固化成型過程中，因為增強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，因此高效的無損檢測技術(shù)監(jiān)測復(fù)合材料的固化過程顯得特別重要，同時內(nèi)置傳感器對復(fù)

2、合材料的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。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，對材料最小擾動的方式被置入到復(fù)合材料中，從而監(jiān)測碳纖維預(yù)浸料的整個熱壓罐固化成型過程。
　　 本論文首先對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傳感器同時置于環(huán)氧樹脂中，從兩根FBG傳感器的信號圖中不僅能夠很容易地辨別出樹脂固化反應(yīng)的凝膠點和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)的時間，還能計算出固化反應(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極其緩慢的過程。
　　 隨后在單向?qū)雍习鍩釅汗薜墓袒に囍校槍δ軌蛴绊懝袒瘹堄鄳?yīng)力大小的第

4、二升溫時間、第二保溫時間、冷卻方式、固化壓力和泄壓溫度等五個不同的固化工藝條件設(shè)計出了田口正交試驗，并同時將FBG傳感器埋置在預(yù)浸料的中間層以便對固化的全過程進(jìn)行監(jiān)測。將得到的正交試驗結(jié)果經(jīng)過田口軟件分析，找出了固化試驗中的重要因子以及它們之間的交互作用。隨后設(shè)計出的重要因子間的優(yōu)化試驗，找到了適合本固化試驗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FBG傳感器也展示出了完全不同的信號變化。
　　 其次文中還對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)測得到的正交和準(zhǔn)各向同性鋪層中的固化信號，重點研究了不同鋪層在降溫過程中的固化行為。其次還對對稱鋪層和非對稱兩種鋪層的固化行為進(jìn)行了比較，找到了對稱鋪層和非對稱鋪層在固化過程中影響FBG傳感器信號的一般規(guī)律。最后通過X衍射法對FBG傳感器測得的殘余應(yīng)力進(jìn)行驗證，由

6、于X衍射法要求對試樣表面進(jìn)行打磨處理，這將會釋放部分固化殘余應(yīng)力，因此X衍射法比FBG傳感器測得的殘余應(yīng)力值小，但基本趨勢是一致的。
　　 同時還對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)行了層間剪切強度測試，并將測試的剪切強度數(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)剪切強度值與由FBG傳感器監(jiān)測得到的固化殘余應(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，固化殘余應(yīng)力越大，對剪切強

7、度的影響越大；當(dāng)殘余應(yīng)力值小于8MPa時，固化殘余應(yīng)力越小，對剪切強度的影響也越小。
　　 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，因此本論文采用對流邊界條件用ANSYS有限元軟件對對稱和非對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)測試驗結(jié)果進(jìn)行對比后發(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與試驗結(jié)果基本一致。