耐溫光纖布拉格光柵傳感器涂層的研究.pdf

1、在大飛機上更多地使用碳纖維樹脂基復合材料替代金屬材料，可以減輕重量、提高續(xù)航能力、節(jié)省油耗。將光纖布拉格光柵(FBG：Fiber Bragg Grating)傳感器埋入碳纖維樹脂基復合材料中，對復合材料成型時的固化過程進行監(jiān)測，控制固化過程參數(shù)，穩(wěn)定復合材料的性能，在成型后，F(xiàn)BG傳感器仍能存活于復合材料內(nèi)部，對復合材料服役過程進行實時監(jiān)測，及時得到復合材料的健康狀況的信息，對大飛機的結構健康進行有效預警，是一件非常有意義的工作。但大飛

2、機結構用樹脂基復合材料需在高溫和壓力下成型，現(xiàn)有光纖光柵傳感器涂層不耐高溫，因此系統(tǒng)地了解FBG傳感器埋入樹脂基復合材料時，傳感器涂層對傳感器傳感性能的影響，并在此基礎上研究一種適合埋入熱壓罐成型的碳纖維復合材料耐高溫光纖光柵涂層很有必要。
　　 本文首先對比了無涂層光柵和現(xiàn)有通用聚氨酯丙烯酸酯(PUA：polyurethane acrylate)涂層光柵傳感器在200℃下加熱1小時，結果顯示，加熱后無涂層和PUA涂層光纖的抗張

3、強度變小，然后將兩者埋入熱壓罐成型復合材料中，發(fā)現(xiàn)光纖截面經(jīng)過高溫和壓力，PUA樹脂熔融，使光纖與基體之間形成空洞。然后復合材料進行固化監(jiān)測和力學性能測試的準確性的研究，結果表明，現(xiàn)有聚氨酯丙烯酸酯光柵涂層在常溫下可提高FBG傳感器的溫度靈敏系數(shù)，但在高溫下使用會降低傳感器的穩(wěn)定性，準確性低于無涂層光柵，高溫成型冷卻后，涂層損壞引起光柵失效，而無涂層光柵由于沒有緩沖保護，也在材料失效之前失效，無法完整監(jiān)測整個失效過程。
　　 在

4、對現(xiàn)有光纖涂層和光柵二次涂覆涂層性能評價的基礎上，本文設計了一種內(nèi)層為化學鍍鎳層，外層為紫外光固化納米二氧化硅/環(huán)氧丙烯酸酯(EA：Epoxy acrylate)/聚氨酯丙烯酸酯(納米SiO2/EA/PUA)雜化材料的雙涂層結構的FBG傳感器涂層，用于提高FBG傳感器在高溫成型時復合材料中傳感的靈敏度和使用性能。
　　 文中首先確定了光纖鍍鎳的預處理方法，然后對比了三種化學鍍鎳方式，采用鹽基膠體鈀浸泡，然后用20％NaOH解膠的

5、無粗化鍍鎳方法進行化學鍍覆，得到鍍鎳光柵在空氣中加熱，30℃至100℃的溫度靈敏系數(shù)為8.914pm/K，在100℃至200℃的溫度靈敏系數(shù)為10.167pm/K，應變靈敏系數(shù)為0.58nm/N，線性度為100％。
　　 在進行二次涂覆涂層外涂層的研制時，首先通過甲苯-2，4-二異氰酸酯(TDI：2，4-toluene diisocyanate)、聚丙二醇(PPG：Poly propylene glycol)與丙烯酸羥乙酯(HE

6、A：Hydroxyethyl methacrylate)合成PUA預聚體，對由不同分子量PPG制備而成的PUA預聚體進行了性能評價，研究表明，PPG2000制備的PUA熱穩(wěn)定性最好，開始失重溫度在280℃，玻璃化轉變溫度(Tg)為104℃；然后研究了PUA與EA的物理共混配比，通過硬度測試、固化度測試以及熱失重分析(TGA：Thermal gravimetric analysis)分析，得到在光引發(fā)劑以及活性稀釋劑不變的情況下，聚氨酯丙

7、烯酸酯與環(huán)氧丙烯酸酯的質量比為2:1時，共混體系能表現(xiàn)出最優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。最后采用溶膠-凝膠法制備二氧化硅顆粒，通過原位聚合制備納米SiO2/EA/PUA雜化材料，研究了不同催化劑、不同硅烷偶聯(lián)劑以及不同配比對雜化材料性能的影響。通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM：Fieldemission scanning electron microscope)測試雜化體系中二氧化硅的分散情況，采用差熱掃描量熱法(DSC：Differential s

8、canning calorimetry)、TGA來確定最佳的熱穩(wěn)定性能。研究表明，采用鹽酸作為催化劑、KH-570硅烷偶聯(lián)劑作為二氧化硅表面處理劑、正硅酸乙酯(TEOS：Tetraethyl orthosilicate)：(PUA+EA)為0.4:1時，制備的雜化材料熱穩(wěn)定性最佳，耐溫可達143.8℃。利用模型擬合法進行了SiO2/EA/PUA雜化材料紫外光固化動力學分析，分析表明SiO2/EA/PUA雜化材料紫外光固化時為一級反應，速

9、率常數(shù)為0.09486，處于EA和PUA固化速率常數(shù)之間。
　　 論文最后將內(nèi)層鍍鎳外層為納米SiO2/EA/PUA雜化材料的雙涂層涂覆于FBG傳感器上，測量了傳感器的基本性質、溫度靈敏系數(shù)和應力靈敏系數(shù)，然后埋入復合材料中，監(jiān)測熱壓罐成型碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的固化成型過程，結果表明自制雙涂層FBG傳感器可完整監(jiān)測固化成型過程；隨后監(jiān)測了成型后復合材料的彎曲性能，結果表明雙涂層FBG傳感器可以完整監(jiān)測復合材料彎曲直至材料失效