本發(fā)明涉及一種玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的制造工藝，具體涉及一種通過玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料預(yù)固化、真空輔助灌注環(huán)氧樹脂和高溫二次固化制造玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的工藝。

背景技術(shù)：

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(qū)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(tǒng)的機電類傳感器相比，具有質(zhì)量輕、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、能長時間進行原位在線監(jiān)測等優(yōu)點，因此可以應(yīng)用于如土木工程、飛行器、電力等工程技術(shù)領(lǐng)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(huán)境中容易損傷，導(dǎo)致監(jiān)測信號中斷；當(dāng)缺少溫度補償光纖光柵傳感器時，從應(yīng)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(yīng)變引起的中心波長變化分離開來，即存在應(yīng)變和溫度交叉敏感的問題。

光纖光柵在苛刻環(huán)境中，尤其是有外力沖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(zhì)管中，然后在管內(nèi)灌滿環(huán)氧樹脂等膠加以固定保護。管式封裝光纖光柵傳感器多用于埋入結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，用以監(jiān)測結(jié)構(gòu)件內(nèi)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復(fù)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(jié)構(gòu)件本身的設(shè)計提出較高要求。相比之下，表面粘貼式光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，應(yīng)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，做成傳感器并保護好接頭后使用，其中基片材料包括金屬、樹脂等。由金屬、樹脂作為基片材料制成的光纖光柵傳感器雖具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝的優(yōu)點，但基片材料一般較厚，容易產(chǎn)生應(yīng)變傳遞損耗，導(dǎo)致傳感器監(jiān)測精度差，靈敏度低，而且光纖光柵容易與基片材料脫粘，導(dǎo)致傳感器監(jiān)測穩(wěn)定性差，服役壽命短；另外由金屬、樹脂作為基片材料制成的光纖光柵傳感器很難同時具有耐化學(xué)試劑腐蝕、強度和剛度高、抗剪切能力強等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的制造工藝。該制造工藝在封裝過程中采用二次固化，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(wěn)定性，可實現(xiàn)光纖光柵傳感器的批量化生產(chǎn)，具有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的制造工藝，包括：

將玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料預(yù)固化，制備玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板的步驟；將光纖光柵固定于玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板的上方覆蓋干態(tài)玻璃纖維布，真空輔助灌注液態(tài)環(huán)氧樹脂，二次固化成型的步驟。

上述制造工藝中，玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料預(yù)固化的固化度小于0.4；優(yōu)選為0.2-0.4。由于光纖光柵傳感器的基板主要起到定位、負載光纖光柵并將被測結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變和溫度傳遞到光柵柵區(qū)的作用，這就要求基板應(yīng)具有一定的剛度，因此，固化度不宜過低；但預(yù)固化的程度也不宜過高，以免在后續(xù)的光纖光柵傳感器的二次固化過程中玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板與真空輔助灌注的環(huán)氧樹脂之間粘結(jié)強度較差。本發(fā)明對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料預(yù)固化的固化度進行了優(yōu)化考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固化度以0.2-0.4為宜。

預(yù)固化采用的工藝條件為：100-140℃、0.4-1.0MPa下固化15-20min；優(yōu)選為：130℃、0.5MPa下固化15-20min。

上述制造工藝中，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(qū)保持10mm以上的距離，并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。

上述制造工藝中，將光纖光柵取直并在承載一定預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下鋪放于玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板上，然后膠粘固定。當(dāng)光柵柵區(qū)彎曲時，在升降溫及壓力循環(huán)作用過程中玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(shù)據(jù)重復(fù)性差。本發(fā)明在對光纖光柵進行固定時，使光纖光柵承載一定的預(yù)應(yīng)力可以防止其在光纖光柵傳感器封裝過程中出現(xiàn)微彎現(xiàn)象，有效提高光纖光柵傳感器的監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，膠粘固定點分別為聚四氟乙烯管靠近柵區(qū)的管口以及光纖光柵的末端。

重復(fù)上述操作，可以在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板上平行鋪設(shè)多條光纖光柵。

上述制造工藝中，真空輔助灌注液態(tài)環(huán)氧樹脂采用的方法為：

(1)將下脫模布、固定有光纖光柵的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板、干態(tài)玻璃纖維布、上脫模布和導(dǎo)流網(wǎng)按序依次整齊鋪放于底部鋼板上，同時在光纖引出的一側(cè)平行于玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板鋪放適當(dāng)長度和外徑的塑料纏繞管并將其兩端固定；

(2)在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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；采用真空輔助灌注工藝將液態(tài)環(huán)氧樹脂注入到密閉空間內(nèi)。

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

上述步驟(2)中，樹脂注入管管口與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板邊緣接觸，抽真空管管口與塑料纏繞管接觸，然后將樹脂注入管和抽真空管在與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(dāng)大小的多口密閉容器的一端口相連并密封，多口容器的另一端口與真空泵相連，其它端口密封。其中，多口密閉容器的設(shè)置是為了防止從抽真空管流出的環(huán)氧樹脂進入真空泵。

上述步驟(2)中，所述真空袋膜的尺寸應(yīng)大于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(tài)環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧樹脂和固化劑按質(zhì)量比1：1～10：1混配而成。上述組成的液態(tài)環(huán)氧樹脂能夠室溫固化，具有熱穩(wěn)定性好、粘著力高等優(yōu)點。

上述制造工藝中，二次固化成型采用的方法為：

真空輔助灌注過程結(jié)束后，室溫下放置20～28h，以促進真空輔助灌注的環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化；脫模；然后在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(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器。

本發(fā)明采用二次固化工藝，部分固化的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板與部分固化的室溫固化環(huán)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(huán)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(huán)氧樹脂以及其中的小分子固化劑會向玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板的內(nèi)部擴散；當(dāng)在高溫下二次固化時，玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板中的環(huán)氧樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的環(huán)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(huán)氧樹脂進一步交聯(lián)固化，二者層間會形成較強的化學(xué)交聯(lián)，界面強度會進一步提高。二次固化工藝還能使玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板達到完全固化狀態(tài)，以提高玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的性能穩(wěn)定性。高溫下的二次固化過程既促進環(huán)氧樹脂充分固化，增強玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板與真空輔助灌注的環(huán)氧樹脂之間的界面強度，也通過應(yīng)力松弛效應(yīng)減小玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器中的內(nèi)應(yīng)力。

上述制造工藝制備的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器為薄片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，厚度為1～2mm，可以提高光纖光柵傳感器的監(jiān)測靈敏度和減少應(yīng)變傳遞損耗，同時適合于內(nèi)埋和外貼，應(yīng)用范圍更廣。

本發(fā)明的有益效果：

(1)采用本發(fā)明提供的封裝工藝制造的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、強度和剛度高、韌性好、抗疲勞損傷能力強等優(yōu)點，能夠顯著提高光纖光柵傳感器的使用壽命，特別適用于對傳感器重量要求嚴格以及服役環(huán)境較為苛刻的結(jié)構(gòu)件的健康監(jiān)測。

(2)本發(fā)明采用真空輔助灌注工藝封裝光纖光柵，該工藝可以在環(huán)氧樹脂灌注期間提供持續(xù)的真空壓力，可以有效避免室溫固化液態(tài)環(huán)氧樹脂灌注期間因樹脂沖刷光纖光柵而導(dǎo)致的光纖光柵彎曲現(xiàn)象；而且保持一定的真空度可以有效減少灌注的環(huán)氧樹脂中的氣泡含量，提高制造的光纖光柵傳感器的監(jiān)測精度和穩(wěn)定性；用該工藝制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(jiān)測靈敏度和減少應(yīng)變傳遞損耗。

(3)采用本發(fā)明提供的封裝工藝可以根據(jù)需要靈活地埋置多條應(yīng)變光纖光柵或溫度光纖光柵或光纖光柵串，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件表面或內(nèi)部的溫度和應(yīng)變的分布式監(jiān)測。

(4)本發(fā)明的制造工藝，以玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(yīng)變傳遞損耗，將其粘貼于被測結(jié)構(gòu)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；以干態(tài)玻璃纖維布作為覆蓋材料，使制備的光纖光柵傳感器是透明的，便于目視檢測傳感器內(nèi)部有無裂紋和孔洞。而且光纖光柵、玻璃纖維預(yù)浸料中的玻璃纖維和干態(tài)玻璃纖維布的主要材料組成相近，在物理力學(xué)性能方面存在相容性，能減少玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的殘余內(nèi)應(yīng)力以及應(yīng)用過程中的應(yīng)變傳遞損耗。

(5)本發(fā)明的制造工藝簡單穩(wěn)定，在封裝過程中采用二次固化工藝，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(wěn)定性，可實現(xiàn)光纖光柵傳感器的批量化生產(chǎn)，具有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1a為本發(fā)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(jié)構(gòu)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(guān)系曲線。

其中，1為鋼板；2為下脫模布；3為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板；4為光纖光柵；5為干態(tài)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(dǎo)流網(wǎng)；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(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，應(yīng)該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進行限定。

實施例1：

(1)取三條單柵區(qū)的應(yīng)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(qū)保持3cm的距離，并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，隨后，將尾纖與一端帶有光纖接頭12的傳輸光纖11熔接后待用。

(2)截取兩張尺寸為250mm*150mm的正交編織的玻璃纖維預(yù)浸料，將其對齊平鋪，上下各鋪一層相同尺寸的脫模布，然后將其置于兩平整的鋼板之間，在130℃、0.5MPa下預(yù)固化15min。預(yù)固化結(jié)束后，取下上下表面的脫模布，即制得預(yù)固化的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3，并將下脫模布2和玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3的四角固定于鋼板1上(可以有效避免在后續(xù)操作過程中因脫模布和基板移動而導(dǎo)致的光纖光柵彎曲現(xiàn)象)；取步驟(1)中提前準備好的光纖光柵，將其取直并在承載一定預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下鋪放于玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3上(可以有效提高光纖光柵傳感器的監(jiān)測精度和穩(wěn)定性)，然后膠粘固定，膠粘固定點分別為聚四氟乙烯管靠近柵區(qū)的管口以及光纖光柵的末端。重復(fù)上述操作，在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(shè)有光纖光柵的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3上依次平整鋪放尺寸為250mm*150mm的干態(tài)玻璃纖維布5、上脫模布6和導(dǎo)流網(wǎng)9，同時在光纖引出的一側(cè)平行于玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3鋪放長250mm，外徑6mm的塑料纏繞管10并將其兩端固定。該步驟中，導(dǎo)流網(wǎng)9和塑料纏繞管10的鋪設(shè)可以有效促使真空輔助灌注的環(huán)氧樹脂順利而均勻地從樹脂導(dǎo)入端流到樹脂導(dǎo)出端。

(5)在鋼板1上圍繞玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板3粘貼密封膠條7，并使密封膠條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(huán)氧樹脂提供密封條件。

(6)截取兩段長度均為100cm的透明PU導(dǎo)管(內(nèi)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(huán)氧樹脂復(fù)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，然后將樹脂注入管8和抽真空管13在與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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的一端口相連并密封，兩口燒瓶14的另一端口與真空泵相連。兩口燒瓶14的設(shè)置是為了防止從抽真空管流出的環(huán)氧樹脂進入真空泵。

(7)截取略大于密封膠條圈尺寸且具有一定強度和韌性的真空袋膜15，將其展平鋪于密封膠條圈的上方，并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(huán)氧樹脂E-51(上海爭銳化工有限公司)和80g的5784脂肪胺環(huán)氧固化劑(上海爭銳化工有限公司)混合均勻后抽真空除氣泡，除氣泡時間保持在15min以內(nèi)。

(9)將樹脂注入管8接通存有組分已配制好且脫泡的室溫固化液態(tài)環(huán)氧樹脂的抽濾瓶16，打開真空泵，室溫固化液態(tài)環(huán)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(nèi)；一段時間后，當(dāng)室溫固化液態(tài)環(huán)氧樹脂因部分交聯(lián)固化而粘度較大時，即表示真空輔助灌注工作結(jié)束，然后將樹脂注入管的管口封閉，保持真空泵繼續(xù)工作5小時后關(guān)閉真空泵。真空輔助灌注環(huán)氧樹脂結(jié)束后仍要保持真空泵繼續(xù)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(xù)的真空壓力，促使真空輔助灌注的室溫固化液態(tài)環(huán)氧樹脂充分浸潤干態(tài)玻璃纖維布并與底部的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板粘結(jié)。

(10)待整套真空輔助灌注裝置在室溫下放置24小時后脫模，取下其上下面的脫模布，然后將其置于兩平整鋼板之間，在平板硫化機的加熱臺上于130℃下加熱2小時后自然冷卻至室溫，將其裁剪成所需要的尺寸，即制得本發(fā)明所述的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器。

采用本實施例制造的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(zhuǎn)換成溫度值后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的不同之處在于，在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板上相鄰平行鋪放應(yīng)變光纖光柵和溫度光纖光柵。

實施例3

與實施例1的不同之處在于，在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板上鋪放光纖光柵串。