一種玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的製造工藝的製作方法

2024-04-10 06:00:05 1

本發明涉及一種玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的製造工藝，具體涉及一種通過玻璃纖維/環氧樹脂預浸料預固化、真空輔助灌注環氧樹脂和高溫二次固化製造玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的工藝。

背景技術：

光纖光柵是一種新型的光無源器件，它通過在光纖軸向上建立周期性的折射率分布來改變或控制光在該區域的傳播行為和方式。以光纖光柵為傳感元件的傳感器與傳統的機電類傳感器相比，具有質量輕、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁幹擾、能長時間進行原位在線監測等優點，因此可以應用於如土木工程、飛行器、電力等工程技術領域。然而，光纖光柵傳感器也存在一些缺點，比如在惡劣的工程環境中容易損傷，導致監測信號中斷；當缺少溫度補償光纖光柵傳感器時，從應變光纖光柵傳感器的反射波長圖譜中難以將溫度引起的中心波長變化和應變引起的中心波長變化分離開來，即存在應變和溫度交叉敏感的問題。

光纖光柵在苛刻環境中，尤其是有外力衝擊時容易因脆斷而失活，所以需要對其進行封裝保護。光纖光柵傳感器主要的封裝方式為細徑管保護式和表面粘貼式。其中細徑管保護式是將裸光纖光柵放入直徑較小的金屬管或其他硬質管中，然後在管內灌滿環氧樹脂等膠加以固定保護。管式封裝光纖光柵傳感器多用於埋入結構件內部，用以監測結構件內部的損傷變形情況。但是，管式封裝光纖光柵傳感器存在埋入工藝複雜、封裝工藝對膠粘劑要求高等缺陷，同時光纖光柵傳輸光纜的引出對結構件本身的設計提出較高要求。相比之下，表面粘貼式光纖光柵傳感器結構簡單，易於安裝，應用更為廣泛。

表面粘貼式光纖光柵傳感器通常是將光纖光柵粘貼在膠基基片或者刻有凹槽的剛性基板上，做成傳感器並保護好接頭後使用，其中基片材料包括金屬、樹脂等。由金屬、樹脂作為基片材料製成的光纖光柵傳感器雖具有結構簡單、易於安裝的優點，但基片材料一般較厚，容易產生應變傳遞損耗，導致傳感器監測精度差，靈敏度低，而且光纖光柵容易與基片材料脫粘，導致傳感器監測穩定性差，服役壽命短；另外由金屬、樹脂作為基片材料製成的光纖光柵傳感器很難同時具有耐化學試劑腐蝕、強度和剛度高、抗剪切能力強等優點。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的製造工藝。該製造工藝在封裝過程中採用二次固化，顯著提高了層間界面強度，從而提高了光纖光柵傳感器的測試精度和穩定性，可實現光纖光柵傳感器的批量化生產，具有廣闊的市場前景和巨大的經濟效益。

為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：

一種玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的製造工藝，包括：

將玻璃纖維/環氧樹脂預浸料預固化，製備玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板的步驟；將光纖光柵固定於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板上的步驟；以及在固定有光纖光柵的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板的上方覆蓋幹態玻璃纖維布，真空輔助灌注液態環氧樹脂，二次固化成型的步驟。

上述製造工藝中，玻璃纖維/環氧樹脂預浸料預固化的固化度小於0.4；優選為0.2-0.4。由於光纖光柵傳感器的基板主要起到定位、負載光纖光柵並將被測結構件的應變和溫度傳遞到光柵柵區的作用，這就要求基板應具有一定的剛度，因此，固化度不宜過低；但預固化的程度也不宜過高，以免在後續的光纖光柵傳感器的二次固化過程中玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板與真空輔助灌注的環氧樹脂之間粘結強度較差。本發明對玻璃纖維/環氧樹脂預浸料預固化的固化度進行了優化考察，結果發現固化度以0.2-0.4為宜。

預固化採用的工藝條件為：100-140℃、0.4-1.0MPa下固化15-20min；優選為：130℃、0.5MPa下固化15-20min。

上述製造工藝中，所述光纖外套聚四氟乙烯管，其中聚四氟乙烯管管口與光柵柵區保持10mm以上的距離，並在管口處將光纖與聚四氟乙烯管之間的縫隙膠封；尾纖與一端帶有光纖接頭的傳輸光纖熔接。

上述製造工藝中，將光纖光柵取直並在承載一定預應力的狀態下鋪放於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板上，然後膠粘固定。當光柵柵區彎曲時，在升降溫及壓力循環作用過程中玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板對光纖光柵的帶動作用不固定，光纖光柵的彎曲方向不固定，造成測量數據重複性差。本發明在對光纖光柵進行固定時，使光纖光柵承載一定的預應力可以防止其在光纖光柵傳感器封裝過程中出現微彎現象，有效提高光纖光柵傳感器的監測精度和穩定性。

優選的，膠粘固定點分別為聚四氟乙烯管靠近柵區的管口以及光纖光柵的末端。

重複上述操作，可以在玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板上平行鋪設多條光纖光柵。

上述製造工藝中，真空輔助灌注液態環氧樹脂採用的方法為：

(1)將下脫模布、固定有光纖光柵的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板、幹態玻璃纖維布、上脫模布和導流網按序依次整齊鋪放於底部鋼板上，同時在光纖引出的一側平行於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板鋪放適當長度和外徑的塑料纏繞管並將其兩端固定；

(2)在玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板四周粘貼密封膠條，使密封膠條緊密粘合底部鋼板且形成一個密封膠條圈；在密封膠條圈上布置樹脂注入管和抽真空管；在密封膠條圈上方覆蓋真空袋膜，使真空袋膜與密封膠條圈緊密接觸，從而使底部鋼板、上層真空袋膜以及密封膠條圈之間形成一個密閉空間；採用真空輔助灌注工藝將液態環氧樹脂注入到密閉空間內。

上述步驟(1)中，導流網和塑料纏繞管的鋪設可以有效促使真空輔助灌注的環氧樹脂順利而均勻地從樹脂導入端流到樹脂導出端。

上述步驟(2)中，樹脂注入管管口與玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板邊緣接觸，抽真空管管口與塑料纏繞管接觸，然後將樹脂注入管和抽真空管在與玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板四周的密封膠條圈相接觸處固定，樹脂注入管的另一管口暫不作處理，抽真空管的另一管口與適當大小的多口密閉容器的一埠相連並密封，多口容器的另一埠與真空泵相連，其它埠密封。其中，多口密閉容器的設置是為了防止從抽真空管流出的環氧樹脂進入真空泵。

上述步驟(2)中，所述真空袋膜的尺寸應大於密封膠條圈所圍空間的大小，從而確保真空袋膜與密封膠條圈緊密接觸，使鋼板、密封膠條圈以及真空袋膜圍成一個密閉的空間。

所述液態環氧樹脂是由環氧樹脂和固化劑按質量比1：1～10：1混配而成。上述組成的液態環氧樹脂能夠室溫固化，具有熱穩定性好、粘著力高等優點。

上述製造工藝中，二次固化成型採用的方法為：

真空輔助灌注過程結束後，室溫下放置20～28h，以促進真空輔助灌注的環氧樹脂交聯固化；脫模；然後在100-140℃條件下進行二次固化，固化時間為90-120min，冷卻，裁剪成所需的尺寸，即得玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器。

本發明採用二次固化工藝，部分固化的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板與部分固化的室溫固化環氧樹脂進行二次固化的工藝可以提高彼此間的界面強度。因為室溫固化環氧樹脂的分子量小，在室溫放置期間，低分子量的室溫固化環氧樹脂以及其中的小分子固化劑會向玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板的內部擴散；當在高溫下二次固化時，玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板中的環氧樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的環氧樹脂和固化劑分子運動加劇，相互之間擴散程度更高，加之環氧樹脂進一步交聯固化，二者層間會形成較強的化學交聯，界面強度會進一步提高。二次固化工藝還能使玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板達到完全固化狀態，以提高玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的性能穩定性。高溫下的二次固化過程既促進環氧樹脂充分固化，增強玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板與真空輔助灌注的環氧樹脂之間的界面強度，也通過應力鬆弛效應減小玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器中的內應力。

上述製造工藝製備的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器為薄片複合材料結構，厚度為1～2mm，可以提高光纖光柵傳感器的監測靈敏度和減少應變傳遞損耗，同時適合於內埋和外貼，應用範圍更廣。

本發明的有益效果：

(1)採用本發明提供的封裝工藝製造的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器具有質量輕、耐腐蝕、強度和剛度高、韌性好、抗疲勞損傷能力強等優點，能夠顯著提高光纖光柵傳感器的使用壽命，特別適用於對傳感器重量要求嚴格以及服役環境較為苛刻的結構件的健康監測。

(2)本發明採用真空輔助灌注工藝封裝光纖光柵，該工藝可以在環氧樹脂灌注期間提供持續的真空壓力，可以有效避免室溫固化液態環氧樹脂灌注期間因樹脂衝刷光纖光柵而導致的光纖光柵彎曲現象；而且保持一定的真空度可以有效減少灌注的環氧樹脂中的氣泡含量，提高製造的光纖光柵傳感器的監測精度和穩定性；用該工藝製造的光纖光柵傳感器厚度更小，約1～2mm，可以提高光纖光柵傳感器的監測靈敏度和減少應變傳遞損耗。

(3)採用本發明提供的封裝工藝可以根據需要靈活地埋置多條應變光纖光柵或溫度光纖光柵或光纖光柵串，實現對結構件表面或內部的溫度和應變的分布式監測。

(4)本發明的製造工藝，以玻璃纖維/環氧樹脂複合材料作為光纖光柵傳感器的基板材料，其剛度適宜，具有極小的應變傳遞損耗，將其粘貼於被測結構件表面時，光纖光柵傳感器基片不會起到加強筋的作用，從而不會影響測試精度；以幹態玻璃纖維布作為覆蓋材料，使製備的光纖光柵傳感器是透明的，便於目視檢測傳感器內部有無裂紋和孔洞。而且光纖光柵、玻璃纖維預浸料中的玻璃纖維和幹態玻璃纖維布的主要材料組成相近，在物理力學性能方面存在相容性，能減少玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器的殘餘內應力以及應用過程中的應變傳遞損耗。

(5)本發明的製造工藝簡單穩定，在封裝過程中採用二次固化工藝，顯著提高了層間界面強度，從而提高了光纖光柵傳感器的測試精度和穩定性，可實現光纖光柵傳感器的批量化生產，具有廣闊的市場前景和巨大的經濟效益。

附圖說明

圖1a為本發明實施例的裝置示意圖；

圖1b為圖1a中B位置的鋪層展開圖；

圖2為光纖光柵傳感器的結構示意圖及A-A位置剖面圖；

圖3為光纖光柵傳感器實際測試的中心波長-溫度關係曲線。

其中，1為鋼板；2為下脫模布；3為玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板；4為光纖光柵；5為幹態玻璃纖維布；6為上脫模布；7為密封膠條；8為樹脂注入管；9為導流網；10為塑料纏繞管；11為傳輸光纖；12為光纖接頭；13為抽真空管；14為兩口燒瓶；15為真空袋膜；16為抽濾瓶。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的說明，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，並不對其內容進行限定。

實施例1：

(1)取三條單柵區的應變光纖，分別外套聚四氟乙烯管，其中聚四氟乙烯管管口與光柵柵區保持3cm的距離，並在該管口處將光纖與聚四氟乙烯管之間的縫隙膠封，以便光纖光柵取直固定，隨後，將尾纖與一端帶有光纖接頭12的傳輸光纖11熔接後待用。

(2)截取兩張尺寸為250mm*150mm的正交編織的玻璃纖維預浸料，將其對齊平鋪，上下各鋪一層相同尺寸的脫模布，然後將其置於兩平整的鋼板之間，在130℃、0.5MPa下預固化15min。預固化結束後，取下上下表面的脫模布，即製得預固化的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3。

(3)取一塊350mm*350mm的平整鋼板1，在其上依次整齊鋪放尺寸為250mm*150mm的下脫模布2和步驟(2)中的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3，並將下脫模布2和玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3的四角固定於鋼板1上(可以有效避免在後續操作過程中因脫模布和基板移動而導致的光纖光柵彎曲現象)；取步驟(1)中提前準備好的光纖光柵，將其取直並在承載一定預應力的狀態下鋪放於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3上(可以有效提高光纖光柵傳感器的監測精度和穩定性)，然後膠粘固定，膠粘固定點分別為聚四氟乙烯管靠近柵區的管口以及光纖光柵的末端。重複上述操作，在玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3上平行鋪放另外兩條光纖光柵，光纖光柵之間保持4cm的距離。

(4)在鋪設有光纖光柵的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3上依次平整鋪放尺寸為250mm*150mm的幹態玻璃纖維布5、上脫模布6和導流網9，同時在光纖引出的一側平行於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3鋪放長250mm，外徑6mm的塑料纏繞管10並將其兩端固定。該步驟中，導流網9和塑料纏繞管10的鋪設可以有效促使真空輔助灌注的環氧樹脂順利而均勻地從樹脂導入端流到樹脂導出端。

(5)在鋼板1上圍繞玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3粘貼密封膠條7，並使密封膠條7緊密粘合底部鋼板1且形成一個密封膠條圈，為真空輔助灌注環氧樹脂提供密封條件。

(6)截取兩段長度均為100cm的透明PU導管(內徑為6.5mm)分別作為樹脂注入管8和抽真空管13，其中樹脂注入管管口與玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3邊緣接觸，抽真空管管口與塑料纏繞管10接觸，然後將樹脂注入管8和抽真空管13在與玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板3四周的密封膠條圈相接觸處固定，樹脂注入管8的另一管口暫不作處理，抽真空管13的另一管口與500mL的兩口燒瓶14的一埠相連並密封，兩口燒瓶14的另一埠與真空泵相連。兩口燒瓶14的設置是為了防止從抽真空管流出的環氧樹脂進入真空泵。

(7)截取略大於密封膠條圈尺寸且具有一定強度和韌性的真空袋膜15，將其展平鋪於密封膠條圈的上方，並與密封膠條圈緊密接觸，從而使底部鋼板1、上層真空袋膜15以及密封膠條圈之間形成一個密閉空間；檢查裝置氣密性，直到裝置氣密性良好為止。

(8)將200g的雙酚A型環氧樹脂E-51(上海爭銳化工有限公司)和80g的5784脂肪胺環氧固化劑(上海爭銳化工有限公司)混合均勻後抽真空除氣泡，除氣泡時間保持在15min以內。

(9)將樹脂注入管8接通存有組分已配製好且脫泡的室溫固化液態環氧樹脂的抽濾瓶16，打開真空泵，室溫固化液態環氧樹脂由樹脂注入管8進入由底部鋼板1、上層真空袋膜15以及密封膠條圈所形成的密閉空間內；一段時間後，當室溫固化液態環氧樹脂因部分交聯固化而粘度較大時，即表示真空輔助灌注工作結束，然後將樹脂注入管的管口封閉，保持真空泵繼續工作5小時後關閉真空泵。真空輔助灌注環氧樹脂結束後仍要保持真空泵繼續工作一段時間，目的是為由底部鋼板、上層真空袋膜以及密封膠條圈所形成的密閉空間提供持續的真空壓力，促使真空輔助灌注的室溫固化液態環氧樹脂充分浸潤幹態玻璃纖維布並與底部的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板粘結。

(10)待整套真空輔助灌注裝置在室溫下放置24小時後脫模，取下其上下面的脫模布，然後將其置於兩平整鋼板之間，在平板硫化機的加熱臺上於130℃下加熱2小時後自然冷卻至室溫，將其裁剪成所需要的尺寸，即製得本發明所述的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器。

採用本實施例製造的玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片式光纖光柵傳感器，實測了從-30℃到60℃的升溫過程中的中心波長變化，如圖3所示，在轉換成溫度值後與標定用精密測溫儀器所得的溫度相同，顯示了很高的測試精度。

實施例2

與實施例1的不同之處在於，在玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板上相鄰平行鋪放應變光纖光柵和溫度光纖光柵。

實施例3

與實施例1的不同之處在於，在玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基板上鋪放光纖光柵串。