耐溫光纖布拉格光柵傳感器涂層的研究.pdf

1、在大飛機(jī)上更多地使用碳纖維樹(shù)脂基復(fù)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(shù)脂基復(fù)合材料中，對(duì)復(fù)合材料成型時(shí)的固化過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制固化過(guò)程參數(shù)，穩(wěn)定復(fù)合材料的性能，在成型后，F(xiàn)BG傳感器仍能存活于復(fù)合材料內(nèi)部，對(duì)復(fù)合材料服役過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)得到復(fù)合材料的健康狀況的信息，對(duì)大飛機(jī)的結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行有效預(yù)警，是一件非常有意義的工作。但大飛

2、機(jī)結(jié)構(gòu)用樹(shù)脂基復(fù)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(shù)脂基復(fù)合材料時(shí)，傳感器涂層對(duì)傳感器傳感性能的影響，并在此基礎(chǔ)上研究一種適合埋入熱壓罐成型的碳纖維復(fù)合材料耐高溫光纖光柵涂層很有必要。
　　 本文首先對(duì)比了無(wú)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(shí)，結(jié)果顯示，加熱后無(wú)涂層和PUA涂層光纖的抗張

3、強(qiáng)度變小，然后將兩者埋入熱壓罐成型復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)光纖截面經(jīng)過(guò)高溫和壓力，PUA樹(shù)脂熔融，使光纖與基體之間形成空洞。然后復(fù)合材料進(jìn)行固化監(jiān)測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試的準(zhǔn)確性的研究，結(jié)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(huì)降低傳感器的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性低于無(wú)涂層光柵，高溫成型冷卻后，涂層損壞引起光柵失效，而無(wú)涂層光柵由于沒(méi)有緩沖保護(hù)，也在材料失效之前失效，無(wú)法完整監(jiān)測(cè)整個(gè)失效過(guò)程。
　　 在

4、對(duì)現(xiàn)有光纖涂層和光柵二次涂覆涂層性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)層為化學(xué)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(jié)構(gòu)的FBG傳感器涂層，用于提高FBG傳感器在高溫成型時(shí)復(fù)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(yù)處理方法，然后對(duì)比了三種化學(xué)鍍鎳方式，采用鹽基膠體鈀浸泡，然后用20％NaOH解膠的

5、無(wú)粗化鍍鎳方法進(jìn)行化學(xué)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(yīng)變靈敏系數(shù)為0.58nm/N，線(xiàn)性度為100％。
　　 在進(jìn)行二次涂覆涂層外涂層的研制時(shí)，首先通過(guò)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(yù)聚體，對(duì)由不同分子量PPG制備而成的PUA預(yù)聚體進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，研究表明，PPG2000制備的PUA熱穩(wěn)定性最好，開(kāi)始失重溫度在280℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為104℃；然后研究了PUA與EA的物理共混配比，通過(guò)硬度測(cè)試、固化度測(cè)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(zhì)量比為2:1時(shí)，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(guò)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(duì)雜化材料性能的影響。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM：Fieldemission scanning electron microscope)測(cè)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(lái)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(shí)，制備的雜化材料熱穩(wěn)定性最佳，耐溫可達(dá)143.8℃。利用模型擬合法進(jìn)行了SiO2/EA/PUA雜化材料紫外光固化動(dòng)力學(xué)分析，分析表明SiO2/EA/PUA雜化材料紫外光固化時(shí)為一級(jí)反應(yīng)，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(cè)量了傳感器的基本性質(zhì)、溫度靈敏系數(shù)和應(yīng)力靈敏系數(shù)，然后埋入復(fù)合材料中，監(jiān)測(cè)熱壓罐成型碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的固化成型過(guò)程，結(jié)果表明自制雙涂層FBG傳感器可完整監(jiān)測(cè)固化成型過(guò)程；隨后監(jiān)測(cè)了成型后復(fù)合材料的彎曲性能，結(jié)果表明雙涂層FBG傳感器可以完整監(jiān)測(cè)復(fù)合材料彎曲直至材料失效