周玉敬，劉 剛,胡曉蘭,任明偉，范廣宏

(1 北京機科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司 先進成型技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083；2 中國航發(fā)北京航空材料研究院先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室，北京 100095；3 廈門大學(xué)材料學(xué)院 福建省防火阻燃材料重點實驗室，福建 廈門 361005；4 東華大學(xué) 先進低維材料中心，上海 201620)

碳纖維復(fù)合材料因其比強度、比模量高及抗疲勞、可設(shè)計性好等優(yōu)點，在航空航天等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。特別是復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)，因其具有結(jié)構(gòu)承載效率高、比剛度大、設(shè)計靈活等優(yōu)點，成為航空航天等結(jié)構(gòu)中常用的部件[3-4]。但在復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過程中，在材料內(nèi)部容易產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，會導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。同時，由于復(fù)合材料自身的層合結(jié)構(gòu)特點，在受到低速沖擊時，極易產(chǎn)生表面不可見的分層和裂紋等內(nèi)部損傷。作為主承力結(jié)構(gòu)的加筋板，在服役過程中低速沖擊產(chǎn)生的內(nèi)部損傷可能產(chǎn)生局部屈曲，導(dǎo)致復(fù)合材料加筋板壓縮承載能力大大下降[5-6]。因此，實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件在固化過程及使用過程中結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的實時監(jiān)測，對提高復(fù)合材料構(gòu)件可靠性具有重要意義[7-8]。

布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating, FBG)傳感器外形尺寸較小，容易被埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且與復(fù)合材料兼容性好，被越來越多地應(yīng)用于復(fù)合材料的在線監(jiān)測[9-13]。Hu等[14]將FBG傳感器埋入復(fù)合材料層壓板層間，通過比較埋植于第一層和第五層的FBG傳感器測得的固化殘余應(yīng)變，優(yōu)化復(fù)合材料的固化工藝參數(shù)。Mulle等[15]將多根FBG傳感器埋入復(fù)合材料層壓板內(nèi)部，通過埋植于不同層間的FBG傳感器測得的應(yīng)變值及應(yīng)變率，分析復(fù)合材料層壓板內(nèi)部損傷狀態(tài)。耿湘宜等[16]分別在層合板0°和45°方向埋入FBG傳感器，實時監(jiān)測復(fù)合材料的固化過程。楊建良等[17]將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)埋入飛機復(fù)合材料垂直尾翼中，實時監(jiān)測外部沖擊造成的內(nèi)部應(yīng)力及損傷狀態(tài)。復(fù)合材料中碳纖維的直徑一般為5～10 μm，但是常用的FBG傳感器直徑在150～250 μm之間，因而植于復(fù)合材料層壓板內(nèi)部的FBG傳感器達到一定數(shù)量后，會對復(fù)合材料層壓板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[18-21]。

本工作將FBG傳感器引入到復(fù)合材料加筋板的三角填充區(qū)(即結(jié)構(gòu)非干涉區(qū))，在不影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能前提下，在復(fù)合材料加強筋結(jié)構(gòu)中引入具有動態(tài)傳感功能的FBG傳感器，實時監(jiān)測復(fù)合材料加筋板的固化過程及載荷響應(yīng)信號。利用埋入加筋板內(nèi)部的FBG傳感器，實現(xiàn)了對復(fù)合材料T型加筋板的固化過程及準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程的應(yīng)變變化的實時監(jiān)測。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

復(fù)合材料層壓板和T型加筋板的材料為中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心的CCF300/5228A碳纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，采用熱壓罐成型工藝制備，固化工藝如圖1所示。復(fù)合材料層壓板鋪層順序為[45°/0°/-45°/90°]s，復(fù)合材料T型加筋板鋪層順序見表1。加筋板尺寸及FBG傳感器(沿0°纖維方向)埋植位置見圖2。

圖1 加筋板固化溫度曲線

表1 復(fù)合材料T型加筋板的鋪層順序

圖2 復(fù)合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗方法

復(fù)合材料T型加筋板壓縮實驗和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗在INSTRON8803型試驗機上進行(見圖3)。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗采用簡支實驗方式，把加筋板試件放在支持夾具上，確保試件的中心和壓頭中心線成一直線，壓頭位移速率為0.3 mm/min。在加載過程中利用布拉格解調(diào)儀(型號1ZH100，最大解調(diào)頻率為1000 Hz)采集準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中FBG傳感器信號，F(xiàn)BG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.2 pm/με。

圖3 復(fù)合材料T型加筋板壓縮和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試

2 結(jié)果與分析

2.1 FBG傳感器埋植對加筋板壓縮性能的影響

將FBG傳感器沿平行筋條方向埋植在加筋壁板的三角填充區(qū)，引出方式如圖4所示。

圖4 FBG傳感器引出方式示意圖

FBG傳感器的埋植對加筋板壓縮性能的影響如圖5所示。未埋植FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板的壓縮破壞載荷為286.7 kN，而三角填充區(qū)埋植FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板壓縮破壞載荷為285.3 kN，兩者基本相當(dāng)。

圖5 FBG傳感器的埋植對復(fù)合材料加筋板壓縮性能的影響

圖6為埋植FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板壓縮破壞形貌。由圖可見，埋植FBG傳感器的加筋壁板，在壓縮載荷作用下，屈曲破壞位置在加筋板中間，并未在FBG傳感器引出位置發(fā)生破壞，F(xiàn)BG傳感器對加筋板壓縮性能基本無影響。

圖6 埋植FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板壓縮破壞形貌

2.2 FBG傳感器對加筋板的固化過程監(jiān)測

將FBG傳感器埋入復(fù)合材料T型加筋板的三角填充區(qū)，利用光柵解調(diào)儀監(jiān)測復(fù)合材料固化過程中FBG傳感器波譜的中心波長變化(如圖7(a)所示)。隨著固化溫度的升高，F(xiàn)BG傳感器的中心波長逐漸增大，在130 ℃恒溫固化階段，其中心波長基本保持不變；在130～180 ℃升溫階段，中心波長隨著溫度升高逐漸增大；在180 ℃恒溫固化階段，中心波長有少量減??；在固化后的降溫階段，傳感器的中心波長逐漸降低；在溫度降至100 ℃左右(固化工藝過程進行7 h左右)，F(xiàn)BG傳感器波長有振蕩變化。

在第一個升溫及130 ℃恒溫階段，隨溫度升高樹脂黏度逐漸降低呈黏流態(tài)，作用在FBG傳感器上的應(yīng)力也較小，F(xiàn)BG傳感器的反射中心波長呈現(xiàn)正應(yīng)變狀態(tài)。在180 ℃恒溫固化階段，樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，其分子呈現(xiàn)出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)熱固性樹脂都會在此時發(fā)生固化體積收縮，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)化學(xué)殘余應(yīng)力[22-23]。對于采用蒙皮筋條共固化成形的加筋板，加筋板的三角填充區(qū)會產(chǎn)生壓應(yīng)力[24]。在降溫階段，F(xiàn)BG傳感器所表現(xiàn)出的反射中心波長的減小，主要來自于溫度的降低。在100 ℃以上，復(fù)合材料尤其是樹脂基體仍然處于受熱膨脹狀態(tài)，樹脂的黏彈性可以起到松弛固化殘余應(yīng)力的作用，產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力較小。由于纖維與樹脂熱膨脹系數(shù)不匹配以及固化后筋條填充區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力，在溫度降至100 ℃左右時，復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生較明顯的熱殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致FBG傳感器的中心波長發(fā)生振蕩漂移。

針對同一個加筋板試樣，按照相同的固化曲線放置于烘箱中進行熱時效處理，F(xiàn)BG傳感器波譜的中心波長變化如圖7(b)所示。從圖中可見，在第一個升溫及130 ℃恒溫階段，F(xiàn)BG傳感器的中心波長逐漸增大，但在180 ℃恒溫固化階段過程中FBG傳感器的中心波長保持基本不變。這主要是由于樹脂基體在第一次固化過程已經(jīng)完全固化，不再產(chǎn)生固化體積收縮，因而FBG傳感器的中心波長保持不變，且在降溫過程中FBG傳感器的反射中心波長一直處于負(fù)應(yīng)變狀態(tài)，曲線并未出現(xiàn)振蕩。

圖7 埋植于加筋板的FBG傳感器中心波長

從圖7(b)中還可以看出，熱時效過程中在130 ℃恒溫和180 ℃恒溫階段，起始階段中心波長有浮動。這主要是由于熱時效過程中加筋板直接暴露于烘箱中，熱量可以很快地傳遞到材料內(nèi)部，由于熱風(fēng)循環(huán)烘箱溫度偏差，導(dǎo)致FBG傳感器的中心波長在升溫階段到保溫階段的前期會有一個小幅振蕩。而在固化過程(見圖7(a))中由于加筋板表面有金屬模具，此時熱量還沒完全傳遞到材料內(nèi)部，F(xiàn)BG傳感器中心波長則未出現(xiàn)小幅振蕩現(xiàn)象。

圖8為固化前后及熱時效前后FBG傳感器反射圖譜。由圖可見，固化前后及熱時效前后FBG傳感器的波譜形狀均未發(fā)生變化，僅中心波長發(fā)生偏移，固化后FBG傳感器的中心波長比固化前波長偏小0.252 nm，即固化過程中加筋板內(nèi)部產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)變值為210 με，熱時效處理后中心波長增加0.065 nm，釋放了約50 με的殘余壓應(yīng)變。究其原因，是在熱時效過程中180 ℃恒溫階段，高溫下樹脂的黏彈性釋放了復(fù)合材料內(nèi)部的部分殘余應(yīng)力。

圖8 FBG傳感器反射圖譜

2.3 FBG傳感器對T型加筋板準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程的監(jiān)測

將FBG傳感器埋植在復(fù)合材料加筋板三角填充區(qū)內(nèi)，在位移控制狀態(tài)下對試件施加準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷，直至加筋板蒙皮發(fā)生穿透破壞。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中加筋板接觸力F和壓頭位移D響應(yīng)如圖9所示。由圖可見，曲線在出現(xiàn)第一次跳躍點之前，接觸力-壓頭位移曲線基本是線性的。當(dāng)壓縮時間約為171 s時，曲線出現(xiàn)一個較小的下降段，此時復(fù)合材料內(nèi)部開始出現(xiàn)分層、開裂等損傷，復(fù)合材料層板的彎曲剛度下降，對應(yīng)的接觸力-壓頭位移曲線出現(xiàn)第一次跳躍。隨后，接觸力隨著壓頭位移增加而增大，層壓板內(nèi)分層等損傷不斷擴展，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷曲線分別在壓縮時間約201，224，249，307，327 s和350 s時出現(xiàn)小的跳躍。FBG傳感器測得的應(yīng)變變化如圖10所示。由圖可見，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，F(xiàn)BG傳感器測得的應(yīng)變變化曲線分別在壓縮時間約171，201，224，249，307，327 s和350 s時出現(xiàn)下降段，變化趨勢與接觸力-壓頭位移曲線變化趨勢基本一致，說明埋植于加筋板三角填充區(qū)的FBG傳感器能夠準(zhǔn)確地實時監(jiān)測加筋板在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中的應(yīng)變變化以及復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)的分層、開裂等損傷狀態(tài)。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中接觸力-壓頭位移響應(yīng)

圖10 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中FBG測得的應(yīng)變值

3 結(jié)論

(1)未埋值FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板與沿平行筋條方向引出FBG傳感器的復(fù)合材料加筋板的壓縮破壞載荷分別為286.7 kN和285.3 kN，兩者基本相當(dāng)，埋植FBG傳感器未明顯影響加筋壁板的力學(xué)性能。

(2)FBG傳感器可以有效監(jiān)測復(fù)合材料加筋板固化過程中的殘余內(nèi)應(yīng)力；FBG傳感器亦可用于監(jiān)測固化后復(fù)合材料構(gòu)件在熱時效過程中的應(yīng)變變化。固化前后及熱時效前后FBG傳感器的波譜形狀均未發(fā)生變化，僅中心波長發(fā)生偏移。FBG傳感器監(jiān)測到固化過程中加筋板內(nèi)部產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)變值為210 με，熱時效處理后釋放了約50 με的殘余應(yīng)變。

(3)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，F(xiàn)BG傳感器測得的應(yīng)變變化曲線與接觸力-壓頭位移曲線變化趨勢基本一致，埋植于加筋板三角填充區(qū)的FBG傳感器能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)加筋板出現(xiàn)分層、開裂等損傷產(chǎn)生的應(yīng)變變化。