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。     

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     

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。     

用于环氧树脂固化监测的自参考型光纤固化传感器

研究了一种新型的自参考型光纤固化传感器,用于环氧树脂固化过程的实时监测。用光纤芯折射率为1.558的多模光纤制成端面反射型折射率传感器,利用环氧树脂的折射率与固化度之间的对应关系,通过实时测量环氧树脂的折射率进行固化监测。在固化过程中,当环氧树脂的折射率变化到与光纤芯的折射率相等时,传感界面的反射信号为零,传感器可对零点偏置和灵敏系数进行校准,在此后的固化过程中,传感器能够定量地测量环氧树脂的固化度。在用多个传感器对树脂内不同部位的固化过程同时进行监测的场合,各传感器经实时自参考校准后,可根据各自的灵敏系数对输出信号统一定标,从而可以相互比较,实时地反映不同部位的固化反应过程之间的差异。      

用于环氧树脂固化过程实时监测的光纤折射率传感器

研究了应用光纤传感技术对环氧树脂固化过程进行实时监测的方法。通过将一段光纤的包层去掉构成光纤折射率传感器, 利用环氧树脂在固化过程中折射率随固化度增大而增大的特性进行固化监测。应用光线追迹法和局部平面波理论导出光纤固化传感器的理论模型。通过在光纤传感区一端的光纤端面镀全反射膜形成探针型传感结构。对E51 环氧树脂的等温固化过程进行了实时监测实验。      

用于FRP固化在线监测的光纤微弯压力传感器

无论在军事还是航空航天领域,光纤传感器都是一种极具应用前景的智能化监测手段。目前,将光纤传感器用于纤维增强树脂基复合材料固化过程的监测的研究是一个热点。但由于大多数光纤传感器监测固化过程成本较高,所以还没有被广泛的应用于实际生产当中。开发了一种新型的低成本、高灵敏度、易操作的光纤传感器用于纤维增强树脂基复合材料固化过程的在线监测。光纤传感器的设计基于光纤微弯损耗原理,其监测的直接目标参量为增强纤维所构成的网络所承担的压力变化,可以进而通过Gutowski的树脂流动/纤维变形理论间接得出对于固化过程中的几个关键参量。给出了这种压力传感器的设计制作方法,测定该种传感器在静态和动态下的压力-光损耗响应曲线,分析了该传感器对环境温度与折射率变化的响应。完成了利用微弯压力传感器进行纤维增强复合材料在热压釜中固化成型过程的在线监测实验,获得了良好的结果。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

热残余应力对内埋光纤光栅传感器性能的影响

将布拉格光纤光栅(FBG)埋植于复合材料T型加筋板结构非干涉区—三角填充区作为应变传感器对复合材料加筋板在固化过程及冲击后压缩过程中的应变变化进行监测。对比了光纤刻栅区采用UV光固化树脂涂层保护和未保护的两种FBG传感器的波谱信号变化; 分析了复合材料在固化成型过程中产生的非轴对称热残余应力对FBG传感性能的影响。结果表明, 刻栅区采用聚合物涂层保护的FBG传感器的半峰宽(FWHM)在固化过程中未发生变化, 并且聚合物涂层可以有效地消除非轴对称热残余应力对光纤光栅反射波谱的影响。在冲击后压缩过程中, 采用聚合物涂层保护的FBG传感器测得的应变与贴于试样表面的应变片测得的应变数据一致性较好。本文对埋植于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器在复合材料固化过程及冲击后压缩过程中应变监测的有效性及可靠性进行了有益的探索。     

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。      

混凝土结构的光纤光栅智能监测技术

根据混凝土结构的内部应变监测需要，提出了光纤光栅管式封装应变传感器，并对其传感特性进行了研究；探讨了光纤布拉格光栅传感元件在混凝土结构中的布设工艺，并用光纤光栅监测了水泥净浆的固化过程；用管式封装光纤光栅与裸光栅对钢筋温凝土梁进行了应变监测；最后将光纤光栅传感器成功地应用于黑大公路大桥。     

光纤光栅传感技术在桥梁试桩中的应用

基于对光纤布拉格光栅(FBG)传感特性的理论分析,研制了可用于桥梁试桩应变监测的光纤光栅钢筋应变计,并进行了标定试验;研究了光纤光栅传感器的布设工艺,在某特大跨海大桥试桩项目中的钻孔灌注桩里成功地埋入了52支光纤光栅钢筋应变计,进行了荷载试验.研究结果表明,在桥梁试桩项目中利用光纤光栅传感技术可以方便有效地对试桩的应变进行多点实时监测,为桥梁桩基础的优化设计提供了可靠的依据.     

基于光纤光栅传感器的复合材料层合板冲击能量研究

复合材料结构较容易产生结构表面无法探测到的低速冲击损伤。试验利用光纤复合材料结构中布拉格光纤光栅传感器受到低速冲击后光栅中心波长随应力变化这一特性,在恒温下用布拉格光纤光栅传感器对复合材料智能结构受到的低速冲击能量给出判别,并对通过光纤光栅解调仪采集下来的低速冲击信号进行频谱分析。在计算冲击信号所有能量等级的频谱峰值后,给出可以界定能量等级的频谱峰值临界值,利用其来判别低速冲击能量等级。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以监测复合材料受到冲击的信号,能够对复合材料结构低速冲击进行能量等级判断研究     

基于FBG应变监测的环氧树脂固化收缩及工艺参数优化

采用布拉格光纤光栅（FBG）传感器,对一种典型液态成型环氧树脂在不同固化工艺以及后固化过程中的温度及应变进行了实时在线监测。通过将树脂内部应变变化转化为树脂线性体积变化,得到不同工艺过程中树脂的固化收缩规律,以此作为依据对树脂的经验固化及后固化工艺参数进行验证和优化。结果表明:所选液态成型树脂在80℃下固化,其固化度和玻璃化转变温度分别为90%和85℃,高于75℃固化树脂,但其总固化体积收缩只比75℃固化时略为增加了约5%;树脂在120℃下进行后固化处理时,恒温180 min后FBG传感器监测到的树脂内部应变已不再变化,此时树脂已基本完全固化,无需再延长后固化时间。      

FBG智能传感器及其在土木工程中的应用研究

光纤光栅传感器已经越来越得到土木工程界的认可,并应用到了实际工程.针对大型土木工程结构长期健康监测的变形监测需要,在光纤光栅传输理论的基础上,分析了光纤光栅应变与温度传感特性以及光纤光栅应变传感的温度补偿原理和方法;研制开发出满足工程应用的光纤光栅封装传感器、FRP-OFBG复合智能筋、光纤光栅智能拉索;此外,考虑传感器开发和工程应用的需要,研究了光纤光栅应变传感的界面传递机理和误差修正.最后,建立了光纤光栅智能监测系统,并成功地将光纤光栅传感器应用到实际桥梁结构的施工与运营监测.     

基于光纤Bragg光栅的混凝土早期固化及应变过程研究

随着高强混凝土和高性能混凝土在实际工程中应用得越来越广泛,混凝土早期的收缩及早期开裂问题越来越引起人们的重视.本文根据光纤Bragg光栅的传感特性,针对混凝土材料的自身特点,系统地用裸光栅对非约束状态下及约束状态下的混凝土早期固化过程进行了内部温度及应变监测,探讨了光纤Bragg光栅传感元件在混凝土中的布设工艺和布设要求;最后,对不同状态下的被测对象的早期变形进行了对比研究.研究结果表明光纤Bragg光栅不仅可以进行混凝土内部温度及变形的测定,在非约束状态下,可以测出混凝土早期的自收缩;在约束状态下,通过测出的混凝土早期应变变化规律可以预测混凝土的开裂状态,而且可以对混凝土早期固化过程进行监测.     

考虑界面应变传递机制的内埋FBGs环氧树脂固化过程模拟

采用实验与数值分析相结合的手段对光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor,FBGs)与基体间应变传递机制这一固化监测的基础问题进行了探索。首先,对树脂的固化动力学、热膨胀、化学收缩和玻璃化转变等物化变化进行了表征,然后,借助热电偶和FBGs开展了环氧树脂固化过程的温度和应变监测实验,最后,基于固化过程热-化-力多场耦合数值分析方法开展了固化过程模拟。通过对比纯树脂模型、界面采用绑定约束的含FBGs模型和界面采用内聚力行为的含FBSs模型分析结果,对界面传递机制进行了探讨。结果表明：固化前期界面处存在的剪滞效应和界面滑移行为导致FBGs监测应变相较树脂本体应变明显偏小,其中剪滞效应占主导作用。采用内聚力行为可以较好地描述固化过程界面应变传递机制,数值预测结果与实验值误差较小。