光纤传感器监测复合材料固化过程

设计了两种新型光纤传感器,一种是通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置 脂折射率的变化,另一种行微弯衰减方法测量复合材料固化中铺层被压缩的进程。利用这两种传感器进行了复合材料固化监测实验,结果表明,发现光纤模斑传感器的信号可以反映树脂基体的粘度的变化历程,光纤微弯传感器的信号可以反映铺层被压缩的过程,监测这两个关键的参数变量不但有利于操作工艺的优化,而且为建立复合材料因化过程的智能化在线监控系统奠     

多功能光纤智能复合材料研究

提出采用光纤微弯传感器测量复合材料固化中粘度的变化。选择了合适的光纤并进行了增敏处理。完成了不同铺层方式的复合材料固化进程的粘度测量, 并与动态介电方法的测量结果进行了比较。结果发现, 光纤微弯衰减方法对于热压情况下复合材料的固化监测是敏感的。该方法可重复性好, 可以准确给出树脂粘度最低点和固化完成点的时间, 灵敏度与光纤同增强纤维的交角有关。利用完成固化监测功能后仍具有光波导性能的已埋入光纤, 研制了两种类型的振动传感器。     

内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器埋植在纤维增强树脂基复合材料加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板的固化过程与准静态压缩过程.结果表明,埋植FBG传感器的加筋板和未埋值FBG传感器的加筋板,其压缩破坏载荷基本相当.同时,内埋于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程的应变变化,固化后亦可用于实时监测结构中产生的温度和应变变化.在准静态压缩过程中,FBG传感器测得的应变值变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致.FBG传感器可在不影响结构性能前提下,准确地响应复合材料加筋板在受载条件下出现的分层、开裂等损伤.     

单根光纤光栅监测复合材料固化工艺过程多目标参量技术的研究

采用单根布拉格光纤光栅传感器实现了对复合材料工艺过程不同阶段、不同目标的监测。在成型阶段监测树脂的温度(粘度)发展历程；在施加成型压力时监测树脂内部压力的变化；在固化与降温阶段监测复合材料层板内部的应力变化。试验结果表明，利用-根布拉格光纤光栅传感器同时实现对复合材料固化工艺全过程的主要控制参量的监测是完全可行的。     

基于折射率变化的固化在线监测研究

先进复合材料的固化成型工艺十分复杂,目前在很大程度上仍依赖于经验工艺。为了实现复合材料固化工艺的透明化、科学化及智能化,提出了将光纤折射率传感器用于复合材料制造过程,研制了一种折射率光纤传感器,同时将光源、探测器、信号处理器等元器件集成化为一个便携式的光纤传感仪以利于生产现场使用。利用该传感器对常温固化树脂的固化过程进行了测量,将其与同等条件下迈克尔逊干涉仪对固化过程的监测结果进行了比较,二者具有良好的一致性。在实验室与生产现场两种条件下将光纤折射率传感器埋设于预浸料中对其固化工艺过程进行了监测。结果表明,该技术不仅可以用于新型树脂固化工艺制度的确定,也可用于复合材料固化工艺过程的在线监测。     

光纤模斑传感器应用于在线监控复合材料工艺过程

复合材料的固化有着复杂的内部过程, 传统的工艺条件难以保障产品的质量, 发展智能化的在线监控技术是个有效途径, 在线监控系统需要有先进的传感器。研制了一种新型光纤传感器, 提出通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置周围树脂折射率的变化。给出了利用这种传感器进行复合材料固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号能反映固化凝胶点、固化结束点及树脂粘度的最低点, 又由于光纤与复合材料的兼容性好以及装置简单、廉价、可靠性高, 因此可以应用于复合材料固化过程的在线监控系统。     

基于压电传感器的树脂基复合材料固化过程监测

复合材料固化成型工艺是影响树脂基复合材料结构性能的关键之一,因此需要针对其固化过程进行有效在线监测。本文基于压电传感器提出一种超声导波技术和机电阻抗技术相结合的树脂基复合材料固化过程监测方法,研究了超声导波能量与固化时间的关系及机电阻抗共振峰随固化时间的变化规律。研究表明,固化过程中树脂基复合材料结构的超声导波信号幅值和机电阻抗信号共振峰频率均出现先减小后增大并逐渐平稳的趋势,可以体现树脂基复合材料固化过程中的一系列变化。以监测单向碳纤维(T300)/热固性环氧树脂预浸料固化为例,验证压电传感器对复合材料固化的监测方法。T300/热固性环氧树脂复合材料在真空袋压、固化温度为120℃条件下,20 min为凝胶时间点,65 min为固化完成时间点。本研究基于压电固化过程在线监测方法为树脂基复合材料成型工艺的设计和优化提供了基础数据和技术支撑。      

光纤布拉格光栅传感器监测环氧树脂固化收缩研究

采用光纤布拉格光栅传感器对处于自由状态的热固性树脂在固化工艺过程中的温度和应变进行了实时在线监测,并且利用传感器的测量数据得到了固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数。结果表明:应用光纤布拉格光栅传感器能够实现从树脂凝胶点开始对固化过程中由于体积变化导致的树脂内部应变变化实时在线监测;传感器测得的固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数结果与热膨胀仪的测量结果相当;利用光纤布拉格光栅传感器测量热固性树脂的固化收缩具有较高的灵敏度和可靠性。     

基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟

针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。     

光纤光栅监测缠绕复合材料与铝板界面的固化应变

树脂基复合材料经常与金属材料固化在一起使用。用缠绕方法制备了复合材料单向板, 将光纤布拉格光栅(FBG) 埋入复合材料与铝板之间, 监测两种不同的材料在固化过程中界面的性质, 并与复合材料内部的监测结果相比较。监测结果表明, 光纤布拉格光栅准确地监测到了复合材料固化过程的温度历程, 复合材料内部、铝板和复合材料的界面在固化过程中和固化后应变存在着明显的差异。光纤光栅传感器为两种不同材料之间的固化监测提供了工具, 对界面性质的分析提供了新方法。      

多模光纤传感器复合材料固化实时监测研究

设计了一种新型光纤传感器，提出通过测量光纤末端近场模斑谱监测光纤埋置周转树脂折射率的变化。     

Dielectric cure monitoring for glass/polyester prepreg composites

The on-line cure monitoring of fiber reinforced thermosetting resin matrix composite material has been performed for improving quality and productivity during manufacturing. Since the dissipation factor measured by dielectrometry method is dependent on the degree of cure and temperature of resin, in this study, a new method to obtain the degree of cure during on-line cure monitoring for S-glass/polyester composites without temperature effect was developed by employing a combination function of the temperature and the dissipation factor. The temperature signal was measured with a K-type thermocouple and the dissipation factor signal was measured with an interdigital dielectric sensor during curing process. Then the calculated degree of cure using the measured data from dielectrometry was compared to the measured value from differential scanning calorimetry. The developed on-line cure monitoring method was applied to a 2-step cure cycle for the verification of the developed procedure.     

Advanced cure monitoring by optoelectronic multifunction sensing system

In this work, a dual functionality fiber optic sensing system for thermoset cure monitoring has been developed and successfully tested. Principle of operation relies on the use of a standard optical fiber in single ended configuration containing a single in-fiber Bragg grating. The change in refractive index directly related to material density at fiber end and the variation in the wavelength reflected by the fiber grating have been monitored simultaneously, throughout an In-Mould curing process of an epoxy resin. A compact and low cost in-fiber dual wavelength demodulation system has been developed and experimental results demonstrate the capability to on line identify the degree of cure, gel point, residual stresses and the glass transition temperature of the cured resin.     

Experimental Study of Monitoring and Controlling of Composite Cure Process in Autoclave Featured with Fiber Optic Sensor

With the aid of the latest fiber optic sensing technology, parameters in the cure process of therosetting resin-matrix composite, such as temperature, viscosity, void and residual stress, can be monitored entirely and efficiently. In this paper, experiment results of viscosity measurement in composite cure process in autoclave using fiber optic sensors are presented. Based on the sensed information, a computer program is utilized to control the cure process. With this technology,the cure process becomes more apparent and controllable, which will greatly improve the cured products and reduce the cost.     

强度调制的光纤传感器在线监测复合材料成型过程

阐述了光纤监测复合材料成型过程的原理和可行性。研制了依据强度调制的光纤传感器监测复合材料固化成型过程中的内部变化历程,进行了从实验室到生产现场的监测实验。监测结果比较灵敏、精确,达到实用化,为光纤智能技术的发展开辟了新的方向。     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。