CN1598626A

CN1598626A - 智能材料与结构中的光纤智能夹层及制作工艺

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Publication number: CN1598626A
Application number: CNA2004100415241A
Authority: CN
Inventors: 梁大开; 李东升; 潘晓文; 卢吉云; 卢坤; 余海涛
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2005-03-23

Abstract

一种智能材料与结构中的光纤智能夹层及制作工艺属智能材料与结构的健康监测技术，其光纤智能夹层由基体材料(1)，固化胶(2)和光纤传感器或传感器阵列(3)构成；其制作工艺是将基体材料(1)平铺于平板上，再将固化胶(2)对齐粘贴于基体材料(1)上；所需埋入的光纤传感器(3)理顺后，再将基体材料(1)平铺于光纤传感器(3)上；用调温电熨斗轻轻熨平，放入平板硫化机中；在固化压力3MPa，热压温度180℃条件下热压2h；水冷至常温后取出。应用本光纤智能夹层可探索复合材料结构的损伤机理与现象，研究复合材料结构的宏观力学性能与损伤之间的定量关系，建立结构损伤主动、在线和实时监测，为智能材料与结构的损伤自诊断提供方便，且灵敏度高。

Description

智能材料与结构中的光纤智能夹层及制作工艺

技术领域：

本发明涉及一种具有自诊断功能的光纤智能夹层，可以用于智能材料与结构的健康监测。

背景技术：

智能材料与结构的研究于80年代中期起源于航空航天领域，该技术的发展和应用意味着工程结构功能的增强、结构使用效率的提高、结构形式的优化及结构维护成本的降低。其概念一经出现，就引起世界主要发达国家的极大重视，纷纷将其列为优先发展领域。智能材料与结构在航空航天、舰船武器等军事领域和机械结构、土木工程等领域都具有广阔的应用前景，目前已得到初步应用。由于复合材料与结构在诸如航空航天器及桥梁、建筑等各种军、民用结构中应用的日益广泛，航空航天器对速度和操纵性能日益增高的要求以及飞行任务复杂程度的逐渐上升，对桥梁、建筑安全性的要求日益提高等因素，使得智能材料与结构的健康监测技术愈来愈显示出旺盛的生命力及重要性。

在航空航天器中，由于结构在服役中所受到的复杂载荷，造成了结构损伤和失效模式的复杂多样性，预报与判别的难度加大。为了解决这一难题，结合光纤传感器所具有的独特优点，光纤自诊断系统用于结构的健康监测已成为智能材料与结构研究的一个重要方向。在USAF的资助下，美国针对F-18、F-22、JSF和X-33等多种飞行器，已进行了结构健康监测技术的应用基础研究。例如，美国诺斯罗普-格鲁门公司利用压电传感器及光纤传感器，监测具有隔段的F-18机翼结构的损伤及应变；将光纤传感器安装在F-18机翼蒙皮上，实时在线监测机翼上压力分布与结构损伤，并验证智能蒙皮的概念。洛克希德-马丁公司将光纤布拉格光栅传感网络用于X-33箱体结构件应力和温度的准分布监测。此外，DALTAII火箭的复合材料火箭发动机箱采用了基于光纤传感器网络的结构健康监测系统，欧洲联合研制的Eurofight 2000新型战机亦采用了先进的结构健康监测技术。澳大利亚国防科学技术组织(DSTO)研制的用于结构健康监测的智能补丁“Smart Patch”已在F-18机翼前缘上进行了试验。在民用领域，美国南加州大学的罗杰斯小组早在2000年即开始进行埋置形状记忆合金纤维的智能建筑材料结构研究，试图改变其刚性和固有频率以减小振幅，使框架结构寿命延长。而日本开展了汽车减振和发动机降噪等方面的研究工作，已取得显著效果。目前，国内外许多研究单位都在进行建筑和桥梁的健康监测研究，并已取得一定的实用性成果。

智能材料与结构的自诊断功能十分重要，它是实现智能材料与结构其它功能，如自适应、自修复等功能的基础。目前，可以制作智能材料与结构中传感器网络的元件很多，常用的有压电陶瓷、电阻应变丝及光纤等。其中，光纤具有柔软、可挠曲、电绝缘、耐腐蚀，工作中不发热，无辐射，能在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂环境下工作，并与复合材料具有良好耦合性等独特优点。当光纤传感器埋入结构内将随物体一起变形时，引起光学量变化，从而连续监测物体内部应变、应力等物理量变化。因此，光纤传感器一直是智能材料与结构中自诊断系统的首选对象及发展方向。从智能结构概念的提出至今已有近20年历史，其间在光纤自诊断系统研究方面，从新型传感器设计技术到新的损伤诊断方法都取得了很大进展。而随着智能结构的实用化，在诊断方法和传感器研究之外，传感系统本身的模块化、集成化技术开始引起人们关注，因为它直接影响智能结构的实用化进程。

在对智能结构长期的研究中，一些国内外的研究者注意到了这一问题。1992年，美国的Joshi等人针对多组压电元件埋入复合材料结构的问题，提出了在材料制造过程中的一些处理方法。1998年，Stanford大学的Mark等人提出了一种新的压电智能夹层(Smart Layer)设计思想。其特点是预制模块化的含有压电元件的铺层，再根据监测要求在层板制造时与其它复合材料铺层结合在一起，传感层可以一次制备完成，保证了传感元件性能的一致性，并且传感网络的连线预制在传感层内，最终通过一个标准接口输出，便于连接和大面积实用。目前该技术已产品化，并已用于美国军方和政府部门的多项研究计划中。例如，在美陆军的坦克复合装甲材料研究中，采用了2层压电智能夹层监测陶瓷层与碳纤维复合材料的脱层位置和程度。在NASA的RLV太空穿梭机液氢燃料箱健康监测研究中，也采用了压电智能夹层，目前正在接受低温条件下的环境测试。德国宝马汽车公司在其新型复合材料车身结构的试验研究阶段，采用预制的压电智能夹层埋入复合材料结构中，用于及时发现材料特性的变化情况并诊断制造使用过程中形成的缺陷或损伤。据了解，美国国家标准局(NIST)正在继续资助压电智能夹层技术的进一步研究，项目首期投资为300万美元，研究目标是实现制造过程标准化和配套仪器小型化。在光纤自诊断系统的研究中，美国、日本及欧洲的研究者们仔细研究了光纤在复合材料中的排布方式对结构强度的影响，并初步考虑了结构中光纤接头的形式等问题。但目前尚未见到有关光纤自诊断系统模块化、集成化研究的相关报道。在国内，南京航空航天大学和解放军理工大学于2002年开始压电智能夹层的研究。重庆大学、哈尔滨工业大学和武汉工业大学等单位初步解决了光纤传感系统埋入混凝土结构中的工艺问题，哈尔滨工业大学初步研究了光纤接头型式，华中理工大学、清华大学及南京航空航天大学等单位也考虑了光纤埋入复合材料的工艺及相容性等问题，并已取得阶段性成果。

目前在光纤自诊断系统的研究和应用中，仅限于对光纤传感器本身进行研究，然后直接将其排布在复合材料中构成智能材料与结构中的自诊断系统。这种研究方法存在诸多问题难以解决：①智能材料与结构中光纤接口部分缺乏必要保护，且影响结构外形及加工；②传感器排布和结构成型同时进行，传感系统的性能难以保证；③传感器阵列缺少埋置前的标定环节，传感器特性的不一致将影响自诊断系统对结构信息判别的正确性。因此，需要研究结构的应力应变分布情况及典型损伤将产生的影响，确定光纤自诊断系统模块的分布形式，以保证与复合材料结构相融合并能反映真实的结构信息；确定合适的基体材料，以减小对结构强度的影响；研究先进的结构损伤诊断方法及理论，以得到正确的结构损伤信息；研制合适的光纤接口，以保证结构中的光纤自诊断网络和外部部件的可靠连接，减小生产过程引起的传感特性的分散性等。

发明内容：

根据上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于针对智能材料与结构中光纤自诊断系统模块化要求，提出并研制了将光纤传感器网络预制为能和复合材料良好结合的光纤智能夹层。使其便于埋置和连接，且便于在埋入复合材料结构之前进行标定，以充分了解其传感性能，为智能材料与结构的损伤自诊断提供方便。它不仅具有光纤传感器的高灵敏度特性，而且智能夹层的埋入对复合材料强度性能影响较小，可以实现结构的健康监测。

为实现上述目的，本发明的光纤智能夹层的技术要求包括：①模块化层状铺层结构，含有光纤传感器网络和基体材料；②合适的基体材料，与复合材料铺层良好结合，以减小对结构强度的影响；③传感层最佳排布且一次性制备完成，确保传感元件性能的一致性；④传感层的温度效应及其温度补偿。

为达到技术要求，本发明光纤智能夹层的具体构成是，在其中一面粘贴有固化胶的两层基体材料之间埋入光纤传感器或传感器阵列构成含有光纤传感器网络的模块化层状铺层结构。

本发明光纤智能夹层的制作工艺步骤是：

1.根据检测要求将基体材料和固化胶切割成相同形状和大小；

2.对所需埋入光纤传感器进行测试，以确定传感器性能；

3.将基体材料平铺于平板上，再将固化胶对齐粘贴于基体材料上；

4.所需埋入的光纤传感器按要求排布，并拉直理顺；

5.将固化胶粘贴于光纤传感器上，再将基体材料对齐平铺于固化胶上；

6.用调温电熨斗(60℃)在光纤传感器两侧，以及基体材料四周轻轻熨平固定；

7.将四周光纤盘绕后，放入平板硫化机中；

8.在平板硫化机中，以固化压力3MPa，热压温度180℃条件热压2h，水冷至常温后取出。

本发明的有益效果是：在光纤智能夹层系统中预制有光纤传感器并与复合材料良好结合，从而构成智能材料与结构中的光纤自诊断网络。利用这一模块化铺层内的光纤传感器网络和先进的信息处理技术，可以探索复合材料结构的损伤机理与现象，研究复合材料结构的宏观力学性能与损伤之间的定量关系，建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。

附图说明：

图1是智能材料与结构中的光纤智能夹层结构示意图。

图中标号名称：1.基体材料，2.固化胶，3.光纤传感器或传感器阵列。

具体实施方式：

由图1可知，本发明智能材料与结构中的光纤智能夹层是在两层粘贴有固化胶2的基体材料1之间埋入光纤传感器或传感器阵列3构成含有光纤传感器网络的模块化层状铺层结构。其制作过程是：

将基体材料1平铺于平板上，再将固化胶2粘贴于基体材料1上，所需埋入的光纤传感器3理顺后，再将基体材料1平铺于光纤传感器3上，用调温电熨斗轻轻熨平，放入平板硫化机中，在固化压力3MPa，热压温度180℃条件下热压2h，水冷至常温后取出。

1.基体材料选取

光纤智能夹层指预置了光纤传感器网络层板结构的一个铺层，其中含有光纤传感器网络和基体材料。光纤智能夹层是根据检测要求预先制备的，当其埋入复合材料层板并随之一同固化时，需要耐受一定的温度和压力，因此基体材料应满足温度和压力要求，具有良好的介电性能，以便复合材料和基体材料能够良好结合，从而保证不对结构性能造成太大影响。因此，基体材料1可选用聚酰亚胺薄膜，厚度0.025mm或0.050mm；固化胶2选用丁晴橡胶系固化胶，厚度0.025mm或0.050mm。

光纤接口型式是光纤智能夹层结构实用化的一个重要因素，它直接影响着结构制作的成品率和结构外形的可加工性能。对此，将利用可拆卸光纤连接器中的陶瓷芯管，参照光纤通讯中光纤连接器的结构原理，研制出外形尺寸小，光纤连接可靠，能方便安装于复合材料上的光纤接口。

2.光纤传感器的选取

光纤传感器包括光纤布拉格光栅传感器、光纤法—珀腔传感器以及其他型式光纤传感器。考虑到适合不同结构件的检测需要，需要根据不同光纤传感器的输出信号随结构形状、铺层方向、试件结构参数的关系，合理设置埋入传感器的间距和连接方法，兼顾检测灵敏度要求和光纤传感器埋入对结构的影响。因此，光纤传感器可选用光纤布拉格光栅传感器、光纤法—珀腔传感器或其他类型光纤传感器。光纤接口采用可拆卸光纤连接器中的陶瓷芯管，并布置在光纤两端。

Claims

1.一种智能材料与结构中的光纤智能夹层，其特征在于在其中一面粘贴有固化胶(2)的两层基体材料(1)之间埋入光纤传感器或传感器阵列(3)构成含有光纤传感器网络的模块化层状铺层结构。

2.一种智能材料与结构中的光纤智能夹层的制作工艺步骤，其特征在于

1).根据检测要求将基体材料和固化胶切割成相同形状和大小；

2).对所需埋入光纤传感器进行测试，以确定传感器性能；

3).将基体材料平铺于平板上，再将固化胶对齐粘贴于基体材料上；

4).所需埋入的光纤传感器按要求排布，并拉直理顺；

5).将固化胶粘贴于光纤传感器上，再将基体材料对齐平铺于固化胶上；

6).用调温电熨斗(60℃)在光纤传感器两侧，以及基体材料四周轻轻熨平固定；

7).将四周光纤盘绕后，放入平板硫化机中；

8).在平板硫化机中，以固化压力3MPa，热压温度180℃条件热压2h，水冷至常温后取出。