（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

聚合物基復(fù)合材料具有比模量/比強(qiáng)度高、耐候性好、熱膨脹系數(shù)低、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防科技等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料在固化成型過程中，樹脂基體經(jīng)歷一個(gè)液態(tài)-橡膠態(tài)-玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，固化工藝制度直接影響復(fù)合材料部件的性能。實(shí)際生產(chǎn)中的固化制度很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)或通過累試法確定，這種方法耗費(fèi)時(shí)間且難以得到穩(wěn)定的質(zhì)量?；诖耍芯咳藛T利用各種技術(shù)方法監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程中信息，制定和優(yōu)化復(fù)合材料固化制度。

目前固化監(jiān)測(cè)方法主要分為非在線監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩類。非在線監(jiān)測(cè)方法主要是利用先進(jìn)儀器分析技術(shù)，如DSC、DMA、拉曼光譜法、紅外光譜法、X射線衍射法、流變分析法等[1-3]，借助這些先進(jìn)儀器分析技術(shù)可以得出復(fù)合材料固化過程中熱量、模量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、黏度等變化的信息。但是這類分析方法需要的儀器大都比較昂貴，并且對(duì)測(cè)試樣品的重量、尺寸等有較為嚴(yán)格的要求，是一類在理想條件下的測(cè)試手段，并不適用于復(fù)合材料部件的實(shí)際生產(chǎn)過程。在線監(jiān)測(cè)方法是將相應(yīng)的傳感器內(nèi)埋/外貼于復(fù)合材料部件內(nèi)部/表面，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料部件固化過程中的信息，繪制固化過程溫度、樹脂黏度、熱殘余應(yīng)力等變化曲線，從而制定和優(yōu)化復(fù)合材料部件固化制度。相對(duì)而言，在線監(jiān)測(cè)方法具有很大的靈活性和實(shí)際操作性。

本文綜述了電阻式應(yīng)變片法、聲發(fā)射法、超聲檢測(cè)法、介電法、光纖傳感器法在線監(jiān)測(cè)樹脂基復(fù)合材料固化過程的研究進(jìn)展，分析了目前在線監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，同時(shí)展望了新型傳感器在復(fù)合材料固化過程中在線監(jiān)測(cè)的研究前景。

應(yīng)變片法在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程

電阻應(yīng)變片是基于敏感柵電阻絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)研制而成的，當(dāng)被測(cè)對(duì)象受力發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵電阻絲也產(chǎn)生形變，相應(yīng)的其電阻值也發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變計(jì)經(jīng)轉(zhuǎn)換分析得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值。如電阻應(yīng)變片的初始電阻為R，在監(jiān)測(cè)過程中電阻變化量?Ri，應(yīng)變片靈敏系數(shù)為K，則可由公式計(jì)算得到此刻所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值εi：

在復(fù)合材料固化過程中，樹脂基體的固化收縮以及樹脂、纖維、模具熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致復(fù)合材料在成型過程中產(chǎn)生明顯的內(nèi)應(yīng)力。利用應(yīng)變片得出復(fù)合材料成型過程中的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)，可用于評(píng)價(jià)成型過程中的應(yīng)力水平。Daniel等[4]把應(yīng)變片埋在復(fù)合材料層合板的內(nèi)部，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)了整個(gè)固化過程中的層合板應(yīng)變變化情況，得出了層合板的殘余應(yīng)力；并在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步研究了6種不同鋪層角度和順序的鋪層方式對(duì)層合板殘余應(yīng)力的影響，得出了最大和最小殘余應(yīng)力分別出現(xiàn)在[02/902]8和[02/±15]8鋪層方式中。游敏等[5]利用多片雙向應(yīng)變花分析測(cè)定樹脂復(fù)合材料固化過程的內(nèi)應(yīng)力，試驗(yàn)中在不同深度的樹脂膠層處（0.1mm、0.7mm、1.3mm、2mm）分別埋入雙向應(yīng)變花，各應(yīng)變片軸線間距為20mm，通過電阻應(yīng)變儀測(cè)定了膠層在室溫下的固化應(yīng)變和在一定的環(huán)境溫差作用下的縱橫向應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況。Wisonm等[6]利用應(yīng)變片在線研究了固化過程中復(fù)合材料長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)件不同位置處的應(yīng)變變化過程（見圖1），得出在整個(gè)固化過程中不同位置處的應(yīng)變變化趨勢(shì)一樣，復(fù)合材料長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)件中間部位的應(yīng)變大于末端。Twigg等[7]按一定的順序和角度，將多個(gè)應(yīng)變片鋪放在模具表面和模具與復(fù)合材料部件的界面處，測(cè)量由于復(fù)合材料和模具之間熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的界面剪切應(yīng)力。利用應(yīng)變片監(jiān)測(cè)技術(shù)可直接得到應(yīng)變數(shù)據(jù)，因此學(xué)者們[5,7-8]嘗試建立固化過程中的應(yīng)變應(yīng)力模型，但是復(fù)合材料成型過程中的狀態(tài)是非線性的動(dòng)態(tài)變化過程，模型的可靠性和適用性有待進(jìn)一步研究。

應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變是一種很成熟的方法，成本也較低，但是由于其尺寸較大、精度低以及實(shí)際使用過程中操作較為復(fù)雜，因此并不太適合用來在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程。在聚合物基復(fù)合材料成型過程中，溫度是不斷變化的，因此需要對(duì)應(yīng)變片做動(dòng)態(tài)的溫度補(bǔ)償，這增加了數(shù)據(jù)測(cè)定和工程實(shí)際應(yīng)用的難度。

聲發(fā)射/超聲在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程

當(dāng)構(gòu)件發(fā)生變形時(shí)，材料內(nèi)部迅速釋放能量產(chǎn)生彈性波的物理現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)就是通過接收聲發(fā)射信號(hào)獲取材料或結(jié)構(gòu)的變化信息。聲發(fā)射信號(hào)的獲取涉及聲發(fā)射源、波在材料和耦合介質(zhì)中的傳播、聲電轉(zhuǎn)化。其工作原理如圖2[9]所示。

樹脂基復(fù)合材料在固化成型過程中受固化制度以及材料本身性質(zhì)的影響，復(fù)合材料的物理和化學(xué)性質(zhì)都發(fā)生變化，這些變化導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化。材料應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，利用聲發(fā)射傳感器將聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)放大輸出，采集相關(guān)信息判斷復(fù)合材料固化過程。沈功田等[10]對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺的固化過程進(jìn)行聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)，得出此類復(fù)合材料在固化過程中亞胺化反應(yīng)和凝膠化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的連續(xù)信號(hào)，而在亞胺化反應(yīng)結(jié)束之后、凝膠化反應(yīng)之前沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，并根據(jù)此判斷固化反應(yīng)的凝膠點(diǎn)，確定加壓時(shí)機(jī)。Harrold等[11]利用帶波導(dǎo)管的聲發(fā)射裝置監(jiān)測(cè)了聚酯樹脂的固化過程，并將聲發(fā)射信號(hào)的縱波波速的變化和強(qiáng)度的衰減與樹脂的固化交聯(lián)程度聯(lián)系起來評(píng)價(jià)固化工藝制度。

圖1 固化過程中結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變變化Fig.1 Strains on flat strips during the cure

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理Fig.2 Monitoring process of acoustic emission

聲發(fā)射也稱為應(yīng)力波發(fā)射，在固化監(jiān)測(cè)過程中模具結(jié)構(gòu)必須允許試件自由振動(dòng)（圖3[12]），且由于聲發(fā)射源的多樣性、信號(hào)的不確定性和突發(fā)性，其低的信噪比限制了聲發(fā)射的實(shí)際廣泛應(yīng)用。但在航空工業(yè)，利用聲發(fā)射技術(shù)分析監(jiān)測(cè)界面膠接固化方面的應(yīng)用正被實(shí)際生產(chǎn)所接受[12-13]。

在高頻超聲區(qū)域內(nèi)，聲波在材料中的傳播速度與材料的動(dòng)態(tài)形態(tài)有關(guān)。利用超聲波縱波聲速CL和振幅衰減α可以計(jì)算出樹脂在固化過程中體積儲(chǔ)能模量E'的變化:

式中，ρ為樹脂的密度，λ為聲波的波長(zhǎng)。

利用超聲波監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程是根據(jù)超聲波在穿透被測(cè)試件時(shí)，隨著固化過程中試件密度、機(jī)械強(qiáng)度的變化，其彈性波的傳播速度以及振幅也會(huì)發(fā)生變化，由超聲波波速和振幅衰減得出樹脂儲(chǔ)能模量，根據(jù)儲(chǔ)能模量的變化實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)樹脂固化度[14]。相比較而言，聲發(fā)射是以被動(dòng)的檢測(cè)方式用于復(fù)合材料固化過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而超聲波檢測(cè)則是主動(dòng)的監(jiān)測(cè)方式。Shepard等[15]利用一種商業(yè)化的超聲固化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究監(jiān)測(cè)熱固性樹脂復(fù)合材料固化過程。陶博然等[16-17]利用超聲波法對(duì)乙烯基樹脂及其復(fù)合材料的固化過程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量監(jiān)測(cè)過程中超聲波聲速和振幅變化情況，表明利用超聲波可實(shí)時(shí)獲取復(fù)合材料固化過程中體系儲(chǔ)能模量、凝膠時(shí)間、固化度等相關(guān)信息。Aggelis等[18]運(yùn)用超聲波在線監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)環(huán)氧樹脂的固化過程，結(jié)果表明可以根據(jù)超聲波波速和幅值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到在固化過程中樹脂黏度和彈性模量的變化信息。

超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用在實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料部件的固化過程中，但是在壓電換能器和被測(cè)部件之間需要使用聲阻抗耦合介質(zhì)，而這層聲阻抗耦合介質(zhì)影響超聲波的信號(hào)波形，增加信號(hào)的傳遞時(shí)間，降低聲速的測(cè)量精度，限制了超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

圖3 聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)可自由振動(dòng)試件的固化過程Fig.3 Acoustic emissions monitoring of a test specimen mounted on taut wires to allow free vibration

介電分析法在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程

介電分析技術(shù)是在交變電場(chǎng)作用下測(cè)定試樣，根據(jù)材料介電性能的變化分析判斷材料的物理化學(xué)性能和狀態(tài)。在聚合物基復(fù)合材料固化反應(yīng)初期，樹脂黏度較低，偶極子在交變電場(chǎng)中響應(yīng)快；隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，樹脂基體化學(xué)結(jié)構(gòu)改變、黏度增大使得偶極子在在交變電場(chǎng)中的響應(yīng)速度下降，導(dǎo)致復(fù)合材料的介電性能發(fā)生變化。其中，偶極子的響應(yīng)可以用介質(zhì)損耗D來表示，其公式[19]為：

式中，W為交變電場(chǎng)的角頻率，C為介質(zhì)電容，R為損耗電阻。

偶極子的響應(yīng)能力與樹脂的固化度有關(guān)，固化度越低，響應(yīng)速度越快。Kim等[19]利用介電傳感器在線監(jiān)測(cè)非熱壓罐成型預(yù)浸料在固化過程中凝膠和玻璃化轉(zhuǎn)變隨外置時(shí)間的變化情況。涂適存等[20]利用介電分析技術(shù)在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料樹脂體系固化過程，根據(jù)固化過程樹脂在線介電特性變化曲線，研究了不同加壓時(shí)間點(diǎn)對(duì)復(fù)合材料孔隙率的影響。李左江等[21]利用動(dòng)態(tài)介電分析法、差熱分析技術(shù)對(duì)AG-80/DDS體系固化過程動(dòng)態(tài)分析研究，制定優(yōu)化固化工藝升溫制度和加壓時(shí)機(jī)。Kim等[22]用一種典型的介電分析方法（圖4[19]），根據(jù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料固化過程中介電損耗因子變化曲線，制定固化過程中快速降溫的起點(diǎn)來降低復(fù)合材料的熱殘余應(yīng)力。Yenilmez等[23]在RTM的模具中按一定順序放置50個(gè)介電傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)在RTM成型工藝過程中樹脂在模具中不同時(shí)間所運(yùn)動(dòng)到的區(qū)域以及在室溫條件下的固化過程。Yang等[24]利用印刷電路板技術(shù)在柔性襯底上制作介電傳感器，并利用這種傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)樹脂的固化過程。

介電分析法被認(rèn)為是成熟的復(fù)合材料固化過程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。但是，測(cè)試過程中傳感器與復(fù)合材料接觸面的空隙、雜質(zhì)以及復(fù)合材料中導(dǎo)電物質(zhì)碳纖維、固化過程產(chǎn)生的極性物質(zhì)水都會(huì)使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生偏差[11-12]。另外，傳感器的尺寸以及建立傳感器信號(hào)和樹脂基體機(jī)械性能之間聯(lián)系的難度，也是限制介電分析方法在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程應(yīng)用的因素。

光纖傳感器法在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程

光纖傳感器是一種利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，將被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的特性變化的傳感器。用于復(fù)合材料固化過程監(jiān)測(cè)的傳感器主要有光纖折射率傳感器、紅外吸收光譜傳感器、光纖微彎傳感器、光纖布拉格光柵傳感器、光線Fabry-Perot傳感器[25-26]。其中，性能較為優(yōu)越、應(yīng)用廣泛的是光纖布拉格光柵傳感器（FBG）,這種傳感器是利用紫外光對(duì)具有光敏特性的光纖直接寫入曝光，使纖芯上的折射率呈現(xiàn)周期性的變化。FBG傳感器最大優(yōu)點(diǎn)在于其傳感信號(hào)是波長(zhǎng)調(diào)制，通過波長(zhǎng)的變化來感應(yīng)外界細(xì)微的溫度和應(yīng)力變化，且波長(zhǎng)變化不受光強(qiáng)影響。由于外界溫度和應(yīng)力均會(huì)使FBG中心波長(zhǎng)偏移，因此光纖布拉格光柵傳感器傳感原理可描述為[26]：

式中，?λB光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)變化量；KT為光纖布拉格光柵溫度敏感系數(shù)；Kε為光纖布拉格光柵應(yīng)變敏感系數(shù)；?T為溫度變化量；?ε為應(yīng)變變化量。?λB、?T可以直接測(cè)量得到，KT、Kε可通過校準(zhǔn)得到。

圖4 介電法在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程Fig.4 Dielectric on-line monitoring of composite material cure

復(fù)合材料固化過程中，隨著樹脂狀態(tài)的變化，復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)也在不斷變化，因此根據(jù)光纖布拉格光柵傳感器應(yīng)變的變化可以在線監(jiān)測(cè)得到復(fù)合材料固化過程中樹脂的變化狀態(tài)以及在固化過程的熱殘余應(yīng)力應(yīng)變。Muule等[27]利用FBG傳感器研究了單向?qū)雍习錥08]熱壓罐固化成型過程中樹脂凝膠、玻璃化轉(zhuǎn)變以及單層層合板縱向應(yīng)變變化（圖5）。Guemes等[28]利用FBG傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料層合板固化過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并比較不同應(yīng)變場(chǎng)條件下反射光譜的分裂情況。Parlevliet[29]利用FBG傳感器檢測(cè)樹脂后固化過程中應(yīng)變、溫度以及熱膨脹系數(shù)的變化。Kim[30]等借助光纖光柵傳感器測(cè)量碳纖維復(fù)合材料固化過程中殘余應(yīng)力的大小，并提出在樹脂固化開始時(shí)快速降溫來降低復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的固化制度。盧少微等[31-32]運(yùn)用雙光纖光柵器監(jiān)測(cè)樹脂傳遞模塑（RTM）成型中環(huán)氧樹脂凝膠溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)等信息以及后固化對(duì)RTM成型復(fù)合材料性能的影響。Canal等[33]用熱電偶和FBG傳感器監(jiān)測(cè)了真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）中復(fù)合材料溫度和應(yīng)變變化情況，并建立評(píng)價(jià)固化工藝制度的模型。

光纖傳感器具有尺寸較小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時(shí)借助相關(guān)封裝技術(shù)可以同時(shí)在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程中的溫度和應(yīng)變信息，且固化監(jiān)測(cè)后還可以用于復(fù)合材料部件的健康監(jiān)測(cè)，被認(rèn)為是最適合作為固化過程在線監(jiān)測(cè)的方法。但是，光纖傳感器在監(jiān)測(cè)過程中埋入復(fù)合材料容易引入缺陷，還存在光纖傳感器成本高、監(jiān)測(cè)區(qū)域有限等不足，這是限制光纖光柵傳感器在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的不利因素。

結(jié)論

本文所介紹的幾種在線監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程的方法，都可以用來指導(dǎo)制定和優(yōu)化復(fù)合材料部件制造工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。其中光纖光柵傳感器不僅可以監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化過程中樹脂狀態(tài)變化信息，還可以用來監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)復(fù)合材料部件殘余應(yīng)力水平，并可應(yīng)用于復(fù)合材料部件服役過程的健康監(jiān)測(cè)。目前來看，光纖光柵傳感器也許是最適合應(yīng)用于復(fù)合材料固化過程在線監(jiān)測(cè)的方法，但是受經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、應(yīng)用范圍受限的影響，光纖光柵傳感器的在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用并不是很廣泛。因此，需要利用新技術(shù)消除光纖光柵傳感器應(yīng)用中的不利因素，開發(fā)新型傳感器和新的在線監(jiān)測(cè)手段，促進(jìn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的應(yīng)用，從而提高復(fù)合材料的質(zhì)量和性能。

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