内置光纤对复合材料性能的影响

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 将光纤内置于纤维增强复合材料结构中，可以实现复合材料结构的实时健康监测，具有成本低、不受电磁干扰、能监测结构内部变化等特点。采用内置光纤实时监测复合材料结构的健康状态是复合材料结构无损检测技术的重要发展趋势。 纤维增强复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性，已广泛用于飞机的承力结构中。然而，由于在厚度方向没有增强体，复合材料对损伤非常敏感。高效的无损检测技术对于复合材料结构损伤检查与持续监测有重要意义。将光纤内置于纤维增强复合材料结构中，可以实现复合材料结构的实时健康监测，具有成本低、不受电磁干扰、能监测结构内部变化等特点。采用内置光纤实时监测复合材料结构的健康状态是复合材料结构无损检测技术的重要发展趋势[1-5]。 与增强纤维相比，光纤的直径较大，如加上涂敷层是增强纤维直径的十倍以上，埋入光纤会在复合材料中造成应力集中区，影响基体的完整性和连续性，造成复合材料力学性能的下降。因此，为实现光纤健康监测在复合材料结构上的应用，需优化内置光纤的布局、选择不同的光纤表面处理工艺，改善内置光纤与复合材料的相容性，减少内置光纤对复合材料力学性能的影响。 试验部分 1 原材料 碳纤维预浸布，CYCOM生产；光纤，武汉理工大学材料学院提供。 2 复合材料制备 将直径分别为250μm、170μm、160μm与125μm的表面涂覆光敏环氧丙烯酸酯的光纤植入复合材料层压板中，所有埋置位置预留光纤以便加工，并保护光纤，完成后制作真空袋入热压罐固化制作复合材料，研究光纤直径对复合材料性能的影响。通过改变复合材料内置光纤的位置与取向，研究内置光纤布局对复合材料性能的影响，获得对复合材料力学性能影响最小的内置光纤布局。 3 复合材料测试 分别按照标准测试90°拉伸强度（光纤为90°方向）与0°压缩强度（光纤为90°方向），确定光纤直径的影响。按照标准（表1）测试光纤布局对复合材料性能的影响。 结果与讨论 1 光纤直径对复合材料性能的影响 将直径分别为250μm、170μm、160μm与125μm的表面涂覆光敏环氧丙烯酸酯的光纤植入复合材料层压板中，制作复合材料。分别按照标准测试90°拉伸强度（光纤为90°方向）与0°压缩强度（光纤为90°方向），以确定光纤直径的影响。 碳纤维的直径一般为7μm，而植入光纤的内径最高达250μm，为纤维直径的30倍之多。植入复合材料后，在光纤周围形成树脂聚集区，造成对复合材料性能的影响，如图1、图2，由图可知，随着埋入复合材料光纤直径的增大，复合材料的拉伸强度、压缩强度逐渐减小，由于埋入光纤会在材料中造成应力集中区，影响基体的完整性和连续性，造成复合材料力学性能的下降。 2 内置光纤的布局对复合材料性能的影响 由图1、图2可知，光纤直径的大小对复合材料力学性能的影响不同，光纤直径越小，对复合材料的影响较小。因此研究内置光纤的布局对复合材料性能的影响时采用125μm的光纤。碳纤维复合材料结构件应用不同的部位时，产品承受的载荷不同，因此研究不同光纤布局对复合材料各种力学性能的影响，降低植入光纤对复合材料的影响具有特别重要的意义。 2.1 光纤布局对复合材料拉伸强度的影响 通过制作0°与90°的复合材料试验板，其中光纤的排布分别为无光纤、0°、45°、90 °，考查不同的光纤布局对材料拉伸强度的影响。试片切割过程中要求光纤位于试样的中间位置。由图3可以得出如下结论： （1）纤维方向为0°时，随着光纤角度的增大，拉伸强度逐渐减小。在纤维方向不变的情况下，光纤随着角度的增大，位于试样中的光纤的长度必然减小，造成的树脂集中区的面积也减小，但复合材料0°拉伸强度的主要贡献来自碳纤维。复合材料的拉伸强度随角度的增大逐渐减小，光纤由0°到90°的变化过程中强度减小了2%，对复合材料的影响较小。 （2）纤维方向为90°时，光纤的位置由0°增大到90°的过程中，复合材料的拉伸强度出现先增大后减小的趋势。这是由于未置光纤时拉伸强度的大小主要由树脂的拉伸强度决定。植入光纤后，拉伸强度主要受光纤的强度影响以及光纤形成的树脂富集区的影响。随着角度的增大，由于光纤的强度的影响，复合材料的强度逐渐增大，当光纤位于90°时由于树脂富集对复合材料的影响，强度减小，变化达13%。 2.2 光纤布局对复合材料压缩强度的影响 如图4，光纤布局对复合材料0°压缩强度与拉伸强度的影响一致，随着角度的增大，逐渐减小。而对复合材料90°压缩强度的影响出现先减小后增大的趋势，说明内置光纤造成的树脂富集对复合材料的压缩性能的影响较大。 2.3 光纤布局对复合材料开孔性能的影响 开孔拉伸以及压缩强度的测试是通过在试片的中心开孔，光纤距离孔心的距离分别为10mm、20mm、30mm，通过与未置光纤的对比得出光纤的埋置对开孔拉伸强度、压缩强度的影响。由图5可以得出随着光纤距离孔心距离的增大，复合材料的开孔拉伸强度先减小后增大，说明一定距离内光纤对复合材料拉伸强度的影响较大，随着距离的增大影响减小，所以复合材料的强度开始增大。而对压缩强度的影响正好相反（如图6）。 2.4 光纤不同厚度位置对复合材料弯曲性能的影响 测量光纤位于复合材料不同厚度位置时的弯曲强度，通过无光纤、1/8h、2/8h、4/8h、6/8h、7/8h埋置光纤，测试复合材料的弯曲强度。由图7可知，随着光纤距离复合材料中心位置愈近，复合材料的强度越小，说明光纤距离中心越近对强度的影响越大。 结论 通过对内置光纤复合材料性能的研究，得出如下结论： （1）光纤的直径越大对复合材料各种性能的影响越大； （2）光纤的放置角度对复合材料不同性能的影响不一致，取决于复合材料结构所受的载荷种类。 参 考 文 献 [1] 王玉堂.光纤传感器研究进展.光电子.激光，1996,7(1)：1-7. [2] 向永江.具有光纤神经系统的新颖复合材料的发展及展望.南京航空航天大学学报，1993,25(1)：82-91. [3] Measures RM ,Glossop NDW,Tennyson RC.Structurally integrated fiberoptic damage assessment system for compositematerials.SPIE,1988,986:120-129. [4] Culshaw B.Optical fibers in NDT.A brief review of application.NDT Int,1985,18:265-269. [5] 沃丁柱.复合材料大全.北京：化学工业出版社，2000.10-14.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/22/2013)