一種連續纖維增強樹脂基復合材料各向異性熱膨脹系數的測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱膨脹系數的測試方法，特別涉及一種纖維復合材料各向異性熱膨脹系數的光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)測試方法。
【背景技術】
[0002]纖維增強樹脂基復合材料憑借比強度和比模量高、耐化學腐蝕性好、可設計性強等特點，在航空航天、汽車、艦船、建筑等領域得到廣泛應用。其中，碳纖維增強樹脂基復合材料密度僅約為1.6g/cm3、性能優越，預計將成為汽車、飛機的主要材料之一。
[0003]熱固性復合材料的物理機械性能受固化過程影響顯著，其固化過程涉及熱傳遞、物質轉變及交聯反應等化學及物理變化，如果是非均勻的，則往往會引起復合材料固化變形問題。復合材料的熱膨脹系數對復合材料變形影響明顯，所以復合材料的熱膨脹系數是材料選擇和產品設計的重要性能參數之一。
[0004]纖維增強樹脂基復合材料是由兩種或兩種以上熱膨脹系數不同的材料復合而成的，熱膨脹系數隨復合材料鋪層結構和測試方向的不同而改變。特別值得關注的是，完全不同于樹脂熱脹特點的碳纖維軸向熱縮特點、鋪層方向和序列的多樣性特點協同導致了復合材料的熱膨脹行為各向異性。纖維復合材料的最大特色就是可設計性強，通過設計、檢測、計算各種鋪層方向和順序的復合材料在不同方向上的熱膨脹系數，進而建立熱膨脹系數和鋪層方向、鋪層順序之間的量化關系模型，就可以設計、制造所需的特定熱膨脹系數的復合材料。
[0005]早期，研宄人員采用多種方法計算、檢測復合材料熱膨脹系數，其中包括光學干涉法、機械法。但是這些常規方法難以在復合材料制造和使役的整個過程中實現實時在線監測，或只能用于檢測在非惡劣環境下使用且具有較大熱膨脹系數的復合材料。與傳統熱膨脹系數檢測裝置相比，光纖傳感器體積小、靈敏度高，具有本質安全、電絕緣、抗腐蝕、耐高低溫、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲等一系列優點，可以較為方便地埋入預浸料或干態纖維織物中，在復合材料制造和使役的整個過程中實時動態監測復合材料熱膨脹系數方面，具有其他方法無法企及的優勢。
[0006]目前，根據FBG傳感器的一系列優點，研宄人員采用FBG傳感器進行固化過程監測可以實時地直接獲取材料內部的溫度狀態、應變狀態；通過設置溫度補償參考光柵，測得FBG傳感器只受溫度影響時中心波長的變化；進而在固化結束后的降溫階段通過應變-溫度擬合直線的斜率求出復合材料的熱膨脹系數。但是，固化成型過程中復合材料不可避免地受到模具的約束，此時復合材料的熱脹冷縮不是自由的體積變化狀態，因此得到的熱膨脹系數是失真的。此外，柵區部位為測量敏感部件，脆弱易斷，一旦光柵的柵區折斷就會造成無檢測信號；還須對其適當保護，使其盡量不受剪切力。
[0007]為了保證FBG傳感器能有效地對纖維增強樹脂基復合材料熱膨脹系數進行在線監測，使研宄人員對固化變形及熱致翹曲問題有更為清晰的認識，進而使先進樹脂基復合材料能更為安全可靠地應用于更多領域，研制利用光纖Bragg光柵測試復合材料各向異性熱膨脹系數的裝置意義重大。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是克服傳統測試技術的不足而提供一種連續纖維增強樹脂基復合材料各向異性熱膨脹系數的測試方法，實現連續纖維增強樹脂基復合材料各向異性熱膨脹系數的精確測試，同時解決FBG傳感器在檢測纖維復合材料熱膨脹系數時脆弱易斷的問題。
[0009]本發明采取的技術方案為:
[0010]一種連續纖維增強樹脂基復合材料各向異性熱膨脹系數的測試方法，包括步驟如下:
[0011](I)復合材料樣品的制作:在模具型腔中鋪設一層層的樹脂基復合材料預浸料，并在其中的兩個預浸料層上分別鋪設光纖Bragg光柵串；預浸料的層數為N多20，具體的N值根據復合材料樣品厚度以及單層預浸料厚度來計算，其中在第η層(Ν-10>η > 5)沿著纖維方向(0°方向)鋪設多個光纖Bragg光柵串，在第n+i層(N-14彡i > 5)在垂直纖維方向(90°方向)上鋪設多個光纖Bragg光柵串，在垂直纖維方向上鋪設的光纖Bragg光柵串上還需用小片樹脂基復合材料預浸料上下包埋光柵區；在模具側壁框板上設有引線溝槽，在模具側壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫的高分子薄膜，光纖Bragg光柵串的引線從模具側壁框板的引線溝槽中引出，按照預浸料制造廠規定的工藝規范固化成型復合材料，然后脫豐吳;
[0012](2)測試:把脫模后的復合材料放入高低溫恒溫箱并兩端簡支，把光纖Bragg光柵串的引線從高低溫恒溫箱的開口中引出并接入光纖光柵解調儀，密封恒溫箱，按照測試規范升溫，同時實時采集光纖Bragg光柵串的柵區的中心波長數據；
[0013](3)數據處理:處理實時采集到的柵區的中心波長數據，得到光纖Bragg光柵串的柵區的中心波長隨時間變化的曲線，進而根據高低溫恒溫箱的溫度-時間關系曲線得到光柵中心波長-溫度關系曲線，此曲線的斜率即是FBG光柵的溫度靈敏系數；通過光柵中心波長變化量和微應變的對應關系，進一步得到微應變-溫度關系曲線，此曲線的斜率就是復合材料在該光柵方向上的熱膨脹系數。
[0014]上述測試方法中步驟(I)所述的小片樹脂基復合材料預浸料中的纖維方向與光纖Bragg光柵串方向相同以起到保護光柵區的目的，同時又不影響復合材料在該光柵位置的90°方向熱膨脹系數；還應注意光柵區不能設置在0°和90°方向光纖Bragg光柵串的交叉點上。所述的單層樹脂基復合材料預浸料厚度為0.1?0.4_。預浸料的裁切形狀和尺寸可以根據成型復合材料形狀、尺寸及力學性能要求進行調整。所述的檢測應變的光纖Bragg光柵串上分布3?5個柵區。尾纖使用特氟龍管進行保護，使光纖Bragg光柵串可在-80°C?280°C的范圍內長期使用。用作保護光柵區的小片樹脂基復合材料預浸料厚度和整片預浸料厚度相同，形狀為矩形，尺寸為長度20?30mm、寬度5?10mm。光纖Bragg光柵串的鋪設位置可以根據所需檢測的復合材料具體部位的熱膨脹系數而調整，但應注意0°和90°方向光纖Bragg光柵串之間至少間隔5層預浸料以避免兩者之間相互干涉，而且光柵區不能設置在0°和90°方向光纖Bragg光柵串的交叉點上。單層耐高溫的高分子薄膜厚度為0.1?0.3_。所述的高分子薄膜可以是聚酯膜、玻璃紙、聚四氟乙烯膜等一種材質的多層膜，也可以是多種材質的高分子薄膜的組合。在固化工藝中通過模具對預浸料進行熱壓成型，從而實現連續纖維增強樹脂基復合材料的固化成型；熱壓成型工藝根據需要來設定，例如:首先從室溫升溫至80°C，保溫30分鐘，然后升溫至130°C，保溫60分鐘；兩個階段的壓力均為0.5Mpa。
[0015]上述步驟(2)中高低溫恒溫箱內有一開口并帶有橡膠塞，保證在光纖Bragg光柵串的引線能從高低溫恒溫箱內順利引出的同時整個恒溫箱密封性良好。高低溫恒溫箱優選初始溫度為20-30°C，在溫度達到20-30°C之后，將測試樣品放入高低溫恒溫箱中并且兩端簡支，保溫30分鐘；隨后開始按特定升溫速率升高溫度，且溫度每升高10°C，保溫30分鐘，直至達到預定溫度(如110°C )保溫30分鐘，然后降溫至室溫。
[0016]本發明有益的效果是:
[0017](I)本發明裝置對90°方向的光纖Bragg光柵串用同向小片預浸料上下包埋，不僅可以保護光柵區而且能夠避免引入測試系統誤差，還通過光纖Bragg光柵串埋入位置的優化設計，有效解決了 FBG傳感器在檢測復合材料熱膨脹系數時柵區部位抗剪切性