李金鍵， 段玉崗， 高 侃， 王 奔， 曹瑞軍

(1.西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049;2.中國電子科技集團公司 第二十三研究所，上海 200437； 3.西安交通大學 理學院，陜西 西安 710049)

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光纖智能復合材料纖維自動鋪放制造工藝研究*

李金鍵1， 段玉崗1， 高 侃2， 王 奔1， 曹瑞軍3

(1.西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049;2.中國電子科技集團公司 第二十三研究所，上海 200437； 3.西安交通大學 理學院，陜西 西安 710049)

光纖智能復合材料能對復合材料內(nèi)部應力和微小損傷實時在線監(jiān)測，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。目前，光纖智能復合材料制造過程中光纖大多采用手工方法植入，其效率低、一致性差，針對此問題提出并研究了基于纖維鋪放技術的光纖智能復合材料自動化制造工藝，將光纖的植入過程與纖維絲束鋪放過程相結(jié)合，實現(xiàn)光纖智能復合材料的自動制造。通過實驗確定了光纖植入過程中輸送壓輥材料與輸送壓緊力、鋪放壓緊力和加熱溫度等工藝參數(shù)，研究表明：當光纖平行于碳纖維預浸帶方向植入時，選取硅橡膠輸送輥，輸送壓緊力為15 N，鋪放壓緊力為300 N，加熱溫度為80 ℃時，植入到復合材料的光纖損耗較小，且光纖光柵反射譜形狀保持穩(wěn)定，能夠保證植入后光纖光柵的傳感特性。

光纖； 復合材料； 鋪放； 制造； 傳感特性

0 引 言

復合材料因其具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性，廣泛應用于航空航天、能源裝備等制造領域。但復合材料構件的維護成本較高，構件使用期間需要及時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷，盡早地采取相應的修補措施，以降低維修維護費用并保證復合材料構件的使用安全[1]。目前比較成熟的方法是采用各種傳感器對復合材料構件服役過程進行實時監(jiān)測，及時獲取復合材料的相關信息，并盡早發(fā)現(xiàn)問題，在提高使用安全性的同時降低維護費用。光纖傳感器具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、不受電磁干擾、對復合材料結(jié)構完整性影響較小等優(yōu)點，易于植入到復合材料內(nèi)部，實現(xiàn)工程化應用，因此，光纖智能復合材料的研究受到越來越多的關注[2～4]。將光纖傳感器植入到復合材料內(nèi)部就形成了光纖智能復合材料，植入到復合材料內(nèi)部的光纖傳感器可以監(jiān)測復合材料的應變和溫度變化[5]。目前，光纖傳感器植入主要采用手工方式，在制造過程中手工將光纖定位、固定[6,7]，光纖手工植入方法效率低，光纖智能復合材料制作的一致性相對比較差。

本文提出將光纖的植入過程與復合材料纖維鋪放自動化制造過程相結(jié)合的制造方法，同時保證光纖的植入質(zhì)量。

1 實驗設備與材料

本文提出的光纖智能復合材料制造過程結(jié)合纖維鋪放系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)性制造。纖維鋪放系統(tǒng)采用自主研發(fā)的基于機器人式纖維鋪放機，可同時鋪放16束7 mm寬纖維窄帶，鋪放速度為0～30 m/min。

實驗用碳纖維預浸帶由威海光威公司提供，其中，碳纖維為TC35—12K(臺灣臺麗)，樹脂為環(huán)氧樹脂，預浸帶樹脂的質(zhì)量分數(shù)為33 %。光纖為聚酰亞胺涂層單模光纖，纖芯直徑為8.4 μm，包層直徑為125 μm，涂層厚度為10 μm，布拉格光柵由中國電子科技集團第二十三研究所刻制，光柵長度為10 mm。

纖維鋪放系統(tǒng)首先進行碳纖維預浸帶的鋪放，在鋪放至光纖植入需要的厚度時，繞在纏繞卷中的光纖通過兩輸送輥的摩擦力作用向前輸送，經(jīng)過鋪放壓輥的壓緊力作用和紅外燈的加熱作用植入到預定位置，如圖1。

圖1 光纖輸送植入示意圖

光纖輸送張力采用張力控制調(diào)節(jié)裝置控制，張力控制器將張力傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)換為控制信號，從而調(diào)節(jié)光纖纏繞卷輸送電機相應的轉(zhuǎn)速而達到張力控制的目的，如圖2。

圖2 張力調(diào)節(jié)控制裝置

為防止光纖在輸送過程中發(fā)生較大曲率彎曲而發(fā)生破壞，應適當增加張力傳感器附近兩導向輪與張力傳感器的間距，從而使光纖得到盡量較大的平滑過渡，增大光纖的彎曲半徑。

2 實驗過程與分析

2.1 輸送壓輥材料與輸送壓緊力對光纖植入的影響

本文對三種常用材料(碳鋼、聚氨酯、硅橡膠)的輸送輥和不同的輸送壓緊力進行相關實驗研究。

按照光纖生產(chǎn)廠家提供的光纖參數(shù)指標，光纖篩選拉應力為200 kbf/in(1 bf/in=6 894.757 Pa)，則根據(jù)光纖的直徑可以計算得到光纖能承受的臨界最大拉力為22.8 N，根據(jù)光纜實際生產(chǎn)中得到的光纖放線張力控制經(jīng)驗，光纖的張力應控制在篩選張力的10 %左右[8]，實驗中,采用張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)將光纖的輸送張力f控制在2 N左右。光纖靠兩輸送輥提供的滾動摩擦力向前輸送，而滾動摩擦力的大小與輸送輥材料的硬度有關，材料硬度越大，材料變形越小，滾動摩擦力越小[9]。經(jīng)過實驗測得的在滿足光纖輸送張力要求的前提下能夠保證光纖向前輸送的三種材質(zhì)輸送輥的最小壓緊力分別為30,20,15 N。圖3為光纖在三種不同輸送輥材料(碳鋼、聚氨酯、硅橡膠)分別在對應最小輸送輥壓緊力下的光纖涂覆層表面的輸送效果SEM照片。

圖3 光纖涂覆層表面SEM照片

從圖3中可以發(fā)現(xiàn):采用碳鋼輥輸送的光纖涂層表面會留下很深的壓痕，有時甚至會出現(xiàn)光纖直接斷裂現(xiàn)象，而采用硅橡膠輥和聚氨酯輥輸送時光纖涂覆層未發(fā)現(xiàn)存在破損現(xiàn)象。為進一步分析采用硅橡膠輥和聚氨酯輥中輸送后光纖包層是否發(fā)生破壞，本文采用加熱的濃硫酸將經(jīng)過輸送后的光纖涂覆層溶解掉并用丙酮3次清洗干燥后，采用掃描電鏡觀察光纖的內(nèi)部包層，如圖4。

圖4 光纖包層表面SEM照片

由圖4可以看到:經(jīng)過聚氨酯輥和硅橡膠輥輸送后光纖包層均沒有裂紋和其他損傷，由于硅膠壓輥由于彈性模量小，滿足輸送要求需要的輸送壓緊力最小，所以,本文采用硅橡膠輥輸送光纖，輸送壓緊力為15 N。

2.2 鋪放壓緊力與加熱溫度對光纖植入的影響

光纖經(jīng)過輸送輥的輸送后經(jīng)鋪放輥的壓緊作用和紅外燈的加熱作用將光纖植入到相應的位置，纖維鋪放設備的鋪放壓輥采用具有較小彈性模量的硅橡膠材質(zhì)柔性壓輥，紅外加熱燈用于加熱預浸帶來增加其表面粘性。鋪放壓緊力過小，加熱溫度過低，則已鋪放的預浸帶表面樹脂粘性不夠，光纖容易發(fā)生錯動，不能有效固定在確定位置上，從而影響植入光纖的位置精度。由于光纖垂直于碳纖維方向植入時熱壓罐固化產(chǎn)生的不均勻殘余應力會使光柵的反射譜出現(xiàn)劣化[10]，對光柵的傳感特性造成一定影響，因此，本文對光纖平行于碳纖維方向植入的情況進行研究。參考已有文獻[11]對鋪放壓緊力和加熱溫度對光纖與預浸帶的粘附影響效果進行實驗，光纖與預浸帶粘附效果的判斷標準是光纖在鋪放之后進行下層預浸帶的鋪放時，光纖的位置不發(fā)生錯動。鋪放壓輥材料為硅橡膠，鋪放速度為20 mm/s，光纖平行碳纖維方向植入，每次實驗進行5次，結(jié)果如表1所示。

表1 光纖平行于纖維方向植入粘附性分析

Tab 1 Adhesion analysis on optical fibers embedded parallel to fiber direction

注： Y表示光纖位置未發(fā)生錯動，N表示光纖位置發(fā)生錯動。

由實驗結(jié)果可以看出:在較低壓緊力和加熱溫度條件下光纖的粘附效果相對較差，而壓緊力較大和加熱溫度較高時較好。這是因為較大的鋪放壓緊力可以將光纖擠壓至碳纖維中間,如圖5，紅外燈加熱則可以使預浸帶表面的樹脂粘性增強，從而固定住光纖?？紤]光纖的粘附性，并考慮預浸帶鋪放時常用的壓緊力和加熱溫度參數(shù)，選取鋪放壓緊力300 N，紅外加熱溫度80 ℃，可以同時保證光纖智能復合材料制造的連續(xù)性和光纖的有效粘附性。

圖5 光纖與碳纖維預浸帶的粘附性光鏡圖

2.3 工藝參數(shù)驗證

為驗證上述參數(shù)的可靠性，選取硅橡膠輸送壓輥，輸送壓緊力15 N，鋪放壓緊力300 N，加熱溫度80 ℃，將光纖布拉格光柵植入到復合材料層合板中，并采用熱壓罐固化制造出復合材料板,如圖6。

圖6 測試樣件的制作與實物圖

固化前后光纖損耗和光纖布拉格光柵反射譜進行分析,測量植入到復合材料的光纖損耗沒有相應的樣件尺寸標準，實驗采用的復合材料樣件長寬厚為100 mm×100 mm×2 mm，光纖長度為500 mm，復合材料樣件為單向?qū)雍习?，光纖平行碳纖維方向植入，光纖位于最中間層。采用光功率計和穩(wěn)定光源等對熱壓罐固化前后的光纖損耗進行測量計算，結(jié)果如圖7。

圖7 植入到復合材料的光纖損耗

可以看出:光纖植入工藝和熱壓罐固化工藝均會引起光纖損耗，這可能是由于碳纖維對光纖的擠壓造成的微彎曲而引起的，但光纖損耗相對較小，說明植入到復合材料后的光纖未發(fā)生損壞。采用sm125 500光柵解調(diào)儀對植入復合材料的布拉格光柵反射波譜進行檢測，復合材料樣件的尺寸為200 mm×200 mm×2 mm，光纖光柵平行于碳纖維方向植入到復合材料中，且光柵區(qū)位于樣件的中間位置，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 植入到復合材料的光纖光柵反射譜

可以看到：熱壓罐固化前后光纖光柵反射波譜的半高峰寬未發(fā)生變化，兩反射譜均未出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。說明光纖鋪放植入工藝條件能夠滿足光纖布拉格光柵的植入要求，保證光纖光柵的傳感檢測特性。分別采用超聲波顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察植入光纖的復合材料層合板，如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)光纖與周圍的碳纖維結(jié)合相對比較緊密，對復合材料整體結(jié)構的影響較小，說明光纖植入工藝能夠保證植入后復合材料的性能要求。

圖9 植入光纖微觀形貌圖

3 結(jié) 論

本文結(jié)合纖維鋪放植入工藝對光纖智能復合材料制造過程中光纖的植入工藝條件進行研究，討論了光纖輸送壓輥材料與輸送壓緊力、鋪放壓緊力及加熱溫度對光纖植入效果的影響，結(jié)果表明：當光纖植入時，選取硅膠輸送壓輥，輸送壓緊力15 N，鋪放壓緊力300 N，加熱溫度80 ℃等制造工藝參數(shù)時，光纖智能復合材料的制造可以結(jié)合纖維鋪放系統(tǒng)制造完成。由對植入復合材料的光纖損耗和光柵反射譜的檢測結(jié)果可以看出：當光纖平行于碳纖維方向植入時，不但很好地實現(xiàn)了光纖智能復合材料對材料內(nèi)部應力和微小損傷實時在線檢測，而且植入到復合材料的光纖損耗較小，光纖光柵反射譜形狀能夠保持穩(wěn)定，保證了光纖光柵的傳感檢測特性。

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段玉崗，通訊作者，E—mail:ygduan@mail.xjto.edu.cn。

Study of optical fiber smart composites fabricated by automatic fiber placement*

LI Jin-jian1, DUAN Yu-gang1, GAO Kan2, WANG Ben1, CAO Rui-jun3

(1.State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing System,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China; 2.No.23 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shanghai 200437,China; 3.School of Science,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Optical fiber smart composites can be used to continuously monitor internal stress and damage of composite materials with good stability and reliability.However,these optical fibers are embedded manually at present,which results in low efficiency and poor consistency.Aiming at this problem,a high-efficiency automotive placement of optical-fiber smart composites manufacturing method is proposed and investigated in this paper.The parameters of conveying roller material,convey pressure,laying pressure and heating temperature are determined by the designed automotive placement.Optimized results indicate that small optical-fiber loss and a stable optical-fiber grating reflection spectrum can be obtained when the optical fiber is placed parallelly to carbon fiber with silicone rubber convey roller,the convey pressure of 15 N and the laying pressure of 300 N at 80 ℃,which can ensure the sensing performance of the optical fiber grating.

optical fiber; composites; placement; manufacture; sensing performance

2015—07—03

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET—11—0419)； 西安交通大學基本科研業(yè)務費資助項目(08143020)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0020—04

TB 332

A

1000—9787(2015)09—0020—04

李金鍵(1989-)，男，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向為光纖智能復合材料。