一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置及裝置的制備和使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置及裝置的制備和使用方法，包括樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料和中間布設(shè)的FBG傳感器，在第n層沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器，在第n層或者第n+1層或者第n-1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，模具?cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽，表面覆有耐高溫高分子薄膜，傳感器的引線從引線溝槽中引出且與信號(hào)接收器接通，閉合模具，熱壓成型，實(shí)現(xiàn)固化成型在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明解決FBG傳感器在復(fù)合材料熱模壓固化變形監(jiān)測(cè)時(shí)柵區(qū)脆弱易斷以及在封閉的全剛性熱模壓模具中若引線不當(dāng)則造成監(jiān)測(cè)信號(hào)不能有效傳輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)針對(duì)內(nèi)植FBG傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和全剛性模具的脫離困難問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置及裝置的制備和使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的光纖Bragg光柵測(cè)試裝置以及內(nèi)植纖細(xì)傳感器的復(fù)合材料與模具的脫離方法，具體涉及一種預(yù)先埋植光纖Bragg光柵的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在熱模壓制造工藝中固化變形的測(cè)試裝置以及內(nèi)植光纖Bragg光柵的復(fù)合材料和全剛性閉式模具的脫離方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其良好的耐疲勞特性、高比強(qiáng)度和比模量、突出的多功能性和減振性能以及獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，在航空航天、汽車、艦船、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別地，復(fù)合材料密度低，尤其是碳纖維/樹脂復(fù)合材料的密度僅約為1.6g/cm3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼或鋁合金材料的密度，對(duì)飛機(jī)和汽車的減重有顯著效果。因此，復(fù)合材料在汽車或飛機(jī)中的使用比例逐步增加，例如，波音B787以及空客A350-XWB中復(fù)合材料的用量超過(guò)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%。
[0003]在先進(jìn)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型制造以及使役健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。在樹脂基復(fù)合材料的成型過(guò)程中，通常由于材料體系的熱脹效應(yīng)、樹脂基體的化學(xué)收縮效應(yīng)、復(fù)合材料與模具在熱膨脹系數(shù)上的顯著差異的協(xié)同作用，在復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，脫模后由于內(nèi)應(yīng)力的釋放而導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的尺寸和形狀與預(yù)期之間有偏差，即發(fā)生了所謂的固化變形現(xiàn)象。并且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中，受到各種各樣的載荷，內(nèi)部應(yīng)力傳遞、裂紋的萌生及演化也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0004]早期人們就采用多種方法研究樹脂基復(fù)合材料的固化過(guò)程，其中包括動(dòng)態(tài)差示掃描量熱法、介電法、動(dòng)態(tài)彈簧法以及紅外頻譜法。但是這些方法不僅測(cè)量精度低、成本高，而且僅僅能對(duì)小型的樣品進(jìn)行測(cè)量，故在實(shí)際生產(chǎn)中不能得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)固化監(jiān)測(cè)裝置相比，光纖傳感器體積小、靈敏度高、可以較為方便地埋入預(yù)浸料或干態(tài)纖維中，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過(guò)程中的溫度、應(yīng)變等參數(shù)方面具有特別明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，光纖對(duì)成型后復(fù)合材料的力學(xué)性能影響小。不同機(jī)理的光纖傳感器有不同的固化過(guò)程監(jiān)測(cè)原理，用于樹脂基復(fù)合材料固化過(guò)程監(jiān)測(cè)的主要有以下幾種光纖傳感器:光纖折射率傳感器、紅外吸收光譜光纖傳感器、光纖微彎傳感器、光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器、光纖Fabry-Perot傳感器。采用FBG傳感器進(jìn)行固化過(guò)程監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)地直接獲取材料內(nèi)部的溫度狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理還可以得到固化后復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)等重要的材料熱物理性質(zhì)，有助于纖維復(fù)合材料及其固化工藝過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0005]FBG傳感器具備了光纖傳感器的一系列優(yōu)點(diǎn)，比如體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、耐高溫、能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行原位在線監(jiān)測(cè)以及和纖維增強(qiáng)材料的兼容能力強(qiáng)等。當(dāng)然，F(xiàn)BG傳感器也存在一些缺點(diǎn)，比如，當(dāng)FBG傳感器長(zhǎng)時(shí)間地暴露在水汽或者應(yīng)力環(huán)境中的時(shí)候容易遭到破壞。另外，當(dāng)缺乏溫度補(bǔ)償傳感器時(shí)，從FBG傳感器的反射波長(zhǎng)圖譜中難以將溫度引起的影響和應(yīng)變引起的影響分離開來(lái)。此外，柵區(qū)部位為測(cè)量敏感部件，脆弱易斷，一旦光柵的柵區(qū)折斷就會(huì)造成無(wú)監(jiān)測(cè)信號(hào)。在把光纖光柵的柵區(qū)鋪設(shè)進(jìn)復(fù)合材料后，還須注意光纖從全剛性的封閉模具中的引出方式；由于光纖抗剪切性能差，所以盡量保證其不受剪切力；光纖引線不宜折彎，因?yàn)閺澢鷷?huì)造成光強(qiáng)損耗，導(dǎo)致信號(hào)不易探測(cè)。
[0006]為了保證FBG傳感器能有效地對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在全剛性閉式模具中的熱模壓固化過(guò)程以及固化完成后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件受載使役過(guò)程進(jìn)行全壽命周期監(jiān)測(cè)，使研究人員能對(duì)固化變形的微觀機(jī)理和應(yīng)力傳遞以及損傷破壞規(guī)律有更為清晰的認(rèn)識(shí)，從而使先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件能更為安全可靠地應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，制備出一種裝置能用來(lái)測(cè)試內(nèi)植光纖Bragg光柵的復(fù)合材料在熱模壓制造工藝中固化變形的意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服上述不足而提供一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置及裝置的制備和使用方法，解決FBG傳感器在復(fù)合材料熱模壓固化變形監(jiān)測(cè)時(shí)柵區(qū)脆弱易斷以及在封閉的全剛性熱模壓模具中若引線不當(dāng)則造成監(jiān)測(cè)信號(hào)不能有效傳輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)針對(duì)內(nèi)植FBG傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和全剛性模具的脫離困難問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0009]一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，包括鋪設(shè)在模具中的樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料和中間布設(shè)的FBG傳感器，在同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器或者在多個(gè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)FBG傳感器，在第η層(η>1)沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器，在第η層或者第η+1或者η-1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅鳎＞邆?cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽，模具側(cè)壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫高分子薄膜，傳感器的引線從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出與信號(hào)接收器接通。
[0010]同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)的多個(gè)FBG傳感器相互不接觸。
[0011]所述的溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅髋c對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器設(shè)置方向相同。
[0012]所述測(cè)試裝置的制備方法，包括步驟如下:
[0013](I)在模具側(cè)壁框板表面的合適位置加工出能使FBG傳感器順利引線的引線溝槽，然后在模具側(cè)壁框板的每個(gè)長(zhǎng)條邊上分別包覆同質(zhì)或異質(zhì)的多層耐高溫高分子薄膜，并將引線溝槽的各個(gè)表面也用高分子薄膜完全包覆；
[0014](2)將預(yù)浸料按照復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的形狀尺寸以及力學(xué)性能的要求逐層裁剪，并在模具內(nèi)按順序鋪設(shè)裁剪好的預(yù)浸料，在鋪設(shè)預(yù)浸料過(guò)程中，將用來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的FBG應(yīng)變傳感器按照監(jiān)測(cè)需要埋入預(yù)定位置，加入?yún)⒖紓鞲衅饕詫?duì)應(yīng)變測(cè)量傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償；
[0015](3)鋪設(shè)完后將傳感器引線從預(yù)設(shè)的模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出，并將其與信號(hào)接收器接通。
[0016]上述制備方法中:步驟(I)引線溝槽的位置優(yōu)選設(shè)置在長(zhǎng)條模具框板的1/2、1/4長(zhǎng)度距尚處。
[0017]所述單層耐高溫高分子薄膜厚度為0.1?0.3_。所述的高分子薄膜可以是聚酯膜、玻璃紙等一種材質(zhì)的高分子薄膜，也可以是多種材質(zhì)的高分子薄膜的組合。
[0018]步驟(2)所述的單層預(yù)浸料厚度為0.1?0.4_。所述的監(jiān)測(cè)應(yīng)變的FBG傳感器的光纖上分布數(shù)個(gè)柵區(qū)；作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅魃弦蚕鄳?yīng)地分布數(shù)個(gè)柵區(qū)，溫度補(bǔ)償傳感器用纖細(xì)的不銹鋼毛細(xì)管(例如，外徑0.7mm、壁厚0.2mm)封裝。預(yù)浸料的裁切形狀尺寸以及纖維方向可以根據(jù)成型結(jié)構(gòu)件形狀尺寸及力學(xué)性能要求進(jìn)行調(diào)整，比如裁切為30°方向或45°方向等。
[0019]步驟(2)中傳感器的鋪設(shè)方式為:在第η層(η>1)沿著纖維軸線方向鋪設(shè)應(yīng)變傳感器，在第η層或者第η+1或者η-1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅鳎鶕?jù)需要，可以在同一鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器，也可以在多個(gè)鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器。所述溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅髋c對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器之間距離為5?10mm。FBG傳感器鋪放位置可以根據(jù)所要監(jiān)測(cè)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的具體部位的應(yīng)變和溫度而調(diào)整。
[0020]所述測(cè)試裝置的使用方法:
[0021]閉合模具，對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行熱壓成型，從而實(shí)現(xiàn)樹脂基復(fù)合材料的固化成型以及在此過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)變和溫度的全程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)固化成型后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行脫模:首先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與上、下金屬模板分離，再通過(guò)多個(gè)高分子膜與膜之間界面的滑移使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具側(cè)壁框板分離，包括在引線溝槽部位的分離，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，也得到內(nèi)部埋有FBG傳感器的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
[0022]所述的熱壓成型工藝根據(jù)需要來(lái)設(shè)定，例如:首先從室溫升溫至80°C，保溫30min，然后升溫至130°C，保溫60min ;兩個(gè)階段的壓力均為0.5Mpa。
[0023]本發(fā)明有益的效果是:
[0024]本發(fā)明裝置通過(guò)在模具側(cè)壁框板上加工能引出FBG傳感器引線的溝槽，有效解決了全剛性閉式模具中傳感器引線難以引出的問(wèn)題，并且明顯降低了 FBG傳感器在鋪設(shè)過(guò)程中的難度，有效避免了在此過(guò)程中傳感器及引線的損壞。在鋪設(shè)FBG傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的同時(shí)，還鋪設(shè)溫度補(bǔ)償傳感器作為參考傳感器，這樣就可以在FBG傳感器的反射波長(zhǎng)圖譜中將溫度引起的影響和應(yīng)變引起的影響分離開來(lái)，使所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)更為精確、可靠。更為重要的是，在固化成型之前，對(duì)模具側(cè)壁框板進(jìn)行了完全的多層覆膜處理，從而避免了模具側(cè)壁框板與復(fù)合材料的直接接觸，而且多層高分子薄膜之間雖然接觸但不粘結(jié)、易于滑移，有利于脫模，同時(shí)有助于避免復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具框板的人為大變形，有效提高了埋植于復(fù)合材料中的FBG傳感器的存活率。同時(shí)，F(xiàn)BG傳感器的引線不會(huì)產(chǎn)生損壞，可以對(duì)成型后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在之后的使役行為進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。
[0025]本發(fā)明方法使FBG傳感器的引線能順利地從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出，從而有效避免了后續(xù)熱壓固化成型階段對(duì)光纖光柵的損傷。同時(shí)，通過(guò)對(duì)模具側(cè)壁框板進(jìn)行特殊的高分子薄膜多層包覆處理，使固化成型結(jié)束后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、包埋的FBG傳感器及其引線的脫模難題得以解決。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2(a)為開有引線溝槽的模具俯視圖；
[0028]圖2(b)為開有引線溝槽的模具的A-A向視圖；
[0029]圖2 (C)為覆有高分子膜的模具；
[0030]圖2(d)為鋪設(shè)有預(yù)浸料的模具；
[0031]圖2 (e)為鋪設(shè)FBG應(yīng)變傳感器圖；
[0032]圖2 (f)為鋪設(shè)用于溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅鲌D；
[0033]圖2(g)為裝配上模板后整體結(jié)構(gòu)的主視圖；
[0034]圖2(h)為固化成型且脫模后的內(nèi)植FBG傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
[0035]圖3為FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的復(fù)合材料熱模壓固化成型升溫過(guò)程中的應(yīng)變、溫度與時(shí)間關(guān)系曲線。
[0036]圖4為FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的開模過(guò)程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變、溫度與時(shí)間關(guān)系曲線。
[0037]圖5為脫模后的馬鞍狀固化變形的復(fù)合材料層合板以及FBG傳感器的連線。
[0038]其中，1.模具側(cè)壁框板，2.下模板，3.引線溝槽，4.耐高溫高分子薄膜，5.預(yù)浸料，6.應(yīng)變傳感器(FBG)，7.用于溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅鳎?.上模板，9.埋有FBG傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的闡述。應(yīng)該說(shuō)明的是，下述說(shuō)明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。
[0040]實(shí)施例1:
[0041]一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，包括鋪設(shè)在模具中的樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料5和中間布設(shè)的FBG傳感器，在同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器或者在多個(gè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)FBG傳感器，在第η層(η>1)沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器6，在第η+1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，模具側(cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽3，模具側(cè)壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫高分子薄膜4，傳感器的引線從模具側(cè)壁框板I的引線溝槽3中引出與信號(hào)接收器接通。
[0042]制備和使用方法:
[0043](I)將周向閉式的模具側(cè)壁框板的每邊的中間位置處和每個(gè)頂角處分別加工寬10_、深1.5mm的引線溝槽。
[0044](2)將模具側(cè)壁框板的每邊分別用三層耐高溫聚酯薄膜完全包覆，使聚酯薄膜與模具側(cè)壁框板緊緊貼合；每個(gè)引線溝槽處也包覆聚酯薄膜。
[0045](3)利用預(yù)浸料裁切機(jī)構(gòu)將預(yù)浸料按平行于纖維方向(0°方向)、垂直于纖維方向(90°方向)、與纖維軸線成45°方向逐層裁切,面內(nèi)尺寸為300mm*300mm。
[0046](4)準(zhǔn)備FBG傳感器，每個(gè)應(yīng)變傳感器的光纖上分布五個(gè)柵區(qū)；作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅魃弦蚕鄳?yīng)地分布五個(gè)柵區(qū)，溫度補(bǔ)償傳感器用纖細(xì)的不銹鋼毛細(xì)管(外徑0.7mm、壁厚0.2mm)封裝。
[0047](5)將步驟(3)中裁切得到的預(yù)浸料按照要求逐層鋪設(shè)到由預(yù)先涂好脫模劑的下模板和預(yù)先覆膜的側(cè)壁框板圍成的模腔內(nèi)，鋪層方式為[09/909]。在鋪設(shè)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)在第5層沿著纖維軸線方向鋪設(shè)應(yīng)變傳感器，在第6層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?。?5 °方向也相應(yīng)鋪設(shè)應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器。
[0048](6)將FBG傳感器的引線從對(duì)應(yīng)的模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出。
[0049](7)蓋上預(yù)先涂好脫模劑的上模板，閉合模具，置入硫化機(jī)中，把從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出的FBG傳感器的引線連接到信號(hào)接收器上，然后調(diào)試設(shè)備以采集數(shù)據(jù)；加熱加壓，使預(yù)浸料在全剛性閉式模具中熱壓成型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的固化，同時(shí)監(jiān)測(cè)固化過(guò)程中的溫度和應(yīng)變的變化。
[0050]采用的熱壓工藝先從室溫升溫至80°C，保溫30min，然后升溫至130°C，保溫60min ;兩個(gè)階段的壓力均為0.5Mpa。
[0051](8)打開硫化機(jī)，首先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與上、下金屬模板分離，再通過(guò)多層聚酯膜與膜之間界面的滑移使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具側(cè)壁框板分離(包括在引線溝槽部位的分離)，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，最終得到內(nèi)部埋有FBG傳感器的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
[0052]實(shí)施例2:
[0053]一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，包括鋪設(shè)在模具中的樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料5和中間布設(shè)的FBG傳感器，在同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器或者在多個(gè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)FBG傳感器，在第η層(η>1)沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器6，也在第η層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，模具側(cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽3，模具側(cè)壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫高分子薄膜4，傳感器的引線從模具側(cè)壁框板I的引線溝槽3中引出與信號(hào)接收器接通。
[0054]制備和使用方法:
[0055](I)將周向閉式的模具側(cè)壁框板的每邊的中間位置處和每個(gè)頂角處分別加工寬10_、深2.0mm的引線溝槽。
[0056](2)將模具側(cè)壁框板的每邊分別用四層耐高溫玻璃紙完全包覆，使玻璃紙薄膜與模具側(cè)壁框板緊緊貼合；每個(gè)引線溝槽處也包覆玻璃紙薄膜。
[0057](3)利用預(yù)浸料裁切機(jī)構(gòu)將預(yù)浸料按平行于纖維方向(0°方向)、垂直于纖維方向(90°方向)、與纖維軸線成45°方向逐層裁切,面內(nèi)尺寸為600mm*400mm。
[0058](4)準(zhǔn)備FBG傳感器，每個(gè)應(yīng)變傳感器的光纖上分布四個(gè)柵區(qū)；作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅魃舷鄳?yīng)地分布四個(gè)柵區(qū)，溫度補(bǔ)償傳感器用纖細(xì)的不銹鋼毛細(xì)管(外徑0.7_、壁厚0.2mm)封裝。
[0059](5)將步驟(3)中裁切得到的預(yù)浸料按照要求逐層鋪設(shè)到由預(yù)先涂好脫模劑的下模板和預(yù)先覆膜的側(cè)壁框板圍成的模腔內(nèi)，鋪層方式為[08/458/908]。在鋪設(shè)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)在第12層沿著纖維軸線方向鋪設(shè)應(yīng)變傳感器，也在第12層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅鳌?br> [0060](6)將FBG傳感器的引線從對(duì)應(yīng)的模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出。
[0061](7)蓋上預(yù)先涂好脫模劑的上模板，閉合模具，置入熱模壓機(jī)中，把從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出的FBG傳感器的引線連接到信號(hào)接收器上，然后調(diào)試設(shè)備以采集數(shù)據(jù)；加熱加壓，使預(yù)浸料在全剛性閉式模具中熱壓成型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的固化，同時(shí)監(jiān)測(cè)固化過(guò)程中的溫度和應(yīng)變的變化。
[0062]采用的熱壓工藝先從室溫升溫至80°C，保溫30min，然后升溫至130°C，保溫60min ;兩個(gè)階段的壓力均為0.4Mpa。
[0063](8)打開熱模壓機(jī)，首先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與上、下金屬模板分離，再通過(guò)多層玻璃紙膜與膜之間界面的滑移使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具側(cè)壁框板分離(包括在引線溝槽部位的分離)，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，最終得到內(nèi)部埋有FBG傳感器的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
[0064]實(shí)施例3:
[0065]一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，包括鋪設(shè)在模具中的樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料5和中間布設(shè)的FBG傳感器，在同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器或者在多個(gè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)FBG傳感器，在第η層(η>1)沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器6，在第η-1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，模具側(cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽3，模具側(cè)壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫高分子薄膜4，傳感器的引線從模具側(cè)壁框板I的引線溝槽3中引出與信號(hào)接收器接通。
[0066]制備和使用方法:
[0067](I)將周向閉式的模具側(cè)壁框板的每邊的中間位置處和每個(gè)頂角處分別加工寬10_、深2.0mm的引線溝槽。
[0068](2)將模具側(cè)壁框板的每邊分別用兩層耐高溫聚酯薄膜完全包覆，使聚酯薄膜與模具側(cè)壁框板緊緊貼合；然后在聚酯薄膜外再包覆兩層玻璃紙，并且在每個(gè)引線溝槽處也包覆玻璃紙薄膜。
[0069](3)利用預(yù)浸料裁切機(jī)構(gòu)將預(yù)浸料按平行于纖維方向(0°方向)、垂直于纖維方向(90°方向)、與纖維軸線成45°方向逐層裁切,面內(nèi)尺寸為600mm*600mm。
[0070](4)準(zhǔn)備FBG傳感器，每個(gè)應(yīng)變傳感器的光纖上分布三個(gè)柵區(qū)；作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅魃弦蚕鄳?yīng)地分布三個(gè)柵區(qū)，溫度補(bǔ)償傳感器用纖細(xì)的不銹鋼毛細(xì)管(外徑0.7mm、壁厚0.2mm)封裝。
[0071](5)將步驟(3)中裁切得到的預(yù)浸料按照要求逐層鋪設(shè)到由預(yù)先涂好脫模劑的下模板和預(yù)先覆膜的側(cè)壁框板圍成的模腔內(nèi)，鋪層方式為[0/45/90/-45]4s。在鋪設(shè)過(guò)程中，按照設(shè)計(jì)在第12層沿著纖維軸線方向鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，在?3層鋪設(shè)應(yīng)變傳感器。
[0072](6)將FBG傳感器的引線從對(duì)應(yīng)的模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出。
[0073](7)蓋上預(yù)先涂好脫模劑的上模板，閉合模具，置入硫化機(jī)中，把從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出的FBG傳感器的引線連接到信號(hào)接收器上，然后調(diào)試設(shè)備以采集數(shù)據(jù)；加熱加壓，使預(yù)浸料在全剛性閉式模具中熱壓成型，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的固化，同時(shí)監(jiān)測(cè)固化過(guò)程中的溫度和應(yīng)變的變化。
[0074]采用的熱壓工藝先從室溫升溫至80°C，保溫30min，然后升溫至140°C，保溫40min ;兩個(gè)階段的壓力均為0.6Mpa。
[0075](8)打開硫化機(jī)，首先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與上、下金屬模板分離，再通過(guò)多層高分子膜與膜之間界面的滑移使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具側(cè)壁框板分離(包括在引線溝槽部位的分離)，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，最終得到內(nèi)部埋有FBG傳感器的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
[0076]附圖3為FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的復(fù)合材料熱模壓固化成型升溫過(guò)程中的應(yīng)變、溫度與時(shí)間關(guān)系曲線。從所述曲線可以看出，當(dāng)溫度從100°c增加到140°C時(shí)，固化反應(yīng)速率大，固化程度快速增加，由固化收縮導(dǎo)致的壓應(yīng)變?cè)隽亢蜔崤蛎泴?dǎo)致的拉應(yīng)變?cè)隽炕鞠嗤?，在?yīng)變一時(shí)間關(guān)系曲線中綜合表現(xiàn)為一個(gè)輕微的拉應(yīng)變減小趨勢(shì)。
[0077]附圖4為FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到的開模過(guò)程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變、溫度與時(shí)間關(guān)系曲線。從所述曲線可以看出，在啟動(dòng)開模3.7min左右，復(fù)合材料板和不銹鋼模板逐漸分離(約5秒的時(shí)間)，由于復(fù)合材料板發(fā)生了脫模翹曲變形，在應(yīng)變一時(shí)間關(guān)系曲線中表現(xiàn)為一個(gè)快速的拉應(yīng)變?cè)黾蝇F(xiàn)象。
[0078]附圖5為脫模后的馬鞍狀固化變形的復(fù)合材料層合板以及FBG傳感器的連線。
【權(quán)利要求】
1.一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，其特征是，包括鋪設(shè)在模具中的樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料和中間布設(shè)的FBG傳感器，在同一預(yù)浸料鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器或者在多個(gè)預(yù)浸料鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)FBG傳感器，在第η(η>1)層，沿著纖維軸線方向鋪設(shè)FBG傳感器作應(yīng)變傳感器，在第η層或者第η+1層或者第η_1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，模具?cè)壁框板上設(shè)有引線溝槽，模具側(cè)壁框板及引線溝槽表面覆有耐高溫高分子薄膜，傳感器的引線從模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出與信號(hào)接收器接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置，其特征是，所述的溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅髋c對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器設(shè)置方向相同。
3.一種樹脂基復(fù)合材料熱模壓固化變形的測(cè)試裝置的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)在模具側(cè)壁框板表面的合適位置加工出能使FBG傳感器順利引線的引線溝槽，然后在模具側(cè)壁框板的每個(gè)長(zhǎng)條邊上分別包覆同質(zhì)或異質(zhì)的多層耐高溫高分子薄膜，并將引線溝槽的各個(gè)表面也用高分子薄膜完全包覆； (2)將預(yù)浸料按照復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的形狀尺寸以及力學(xué)性能的要求逐層裁剪，并在模具內(nèi)按順序鋪設(shè)裁剪好的預(yù)浸料，在鋪設(shè)預(yù)浸料過(guò)程中，將監(jiān)測(cè)應(yīng)變的FBG應(yīng)變傳感器按照監(jiān)測(cè)需要埋入預(yù)定位置，加入?yún)⒖紓鞲衅饕詫?duì)應(yīng)變測(cè)量傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償； (3)鋪設(shè)完FBG傳感器后將傳感器引線從預(yù)設(shè)的模具側(cè)壁框板的引線溝槽中引出，并將其與信號(hào)接收器接通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，步驟(I)引線溝槽的位置設(shè)置在長(zhǎng)條模具框板的1/2、1/4長(zhǎng)度距離處。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述的監(jiān)測(cè)應(yīng)變的FBG應(yīng)變傳感器的光纖上分布數(shù)個(gè)柵區(qū)；作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅魃弦蚕鄳?yīng)地分布數(shù)個(gè)柵區(qū)，溫度補(bǔ)償傳感器用纖細(xì)的不銹鋼毛細(xì)管封裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，步驟(2)中傳感器的鋪設(shè)方式為:在第η層η>1，沿著纖維軸線方向鋪設(shè)應(yīng)變傳感器，在第η層或者第η+1層或者第η_1層鋪設(shè)作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?，根?jù)需要，在同一鋪層內(nèi)鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器，或者在多個(gè)鋪層內(nèi)分別鋪設(shè)多個(gè)FBG傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅髋c對(duì)應(yīng)的應(yīng)變傳感器之間距離為5?10mm。
8.權(quán)利要求1所述的測(cè)試裝置的使用方法，其特征是， 閉合模具，對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行熱壓成型，從而實(shí)現(xiàn)樹脂基復(fù)合材料的固化成型以及在此過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)變和溫度的全程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)固化成型后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行脫模:首先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與上、下金屬模板分離，再通過(guò)多個(gè)高分子膜與膜之間界面的滑移使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和模具側(cè)壁框板分離，包括在引線溝槽部位的分離，同時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，也得到內(nèi)部埋有FBG傳感器的樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK104315990SQ201410606215
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】賈玉璽, 智杰穎, 董琪, 耿湘宜, 王靜, 王海慶, 隋青美 申請(qǐng)人:山東大學(xué)