使用一个光导纤维光栅传感器的复合结构树脂固化的监控

摘要

使用一个其中埋置了光栅传感器(28)的光学纤维(20)监控复合层状结构的树脂固化过程。该纤维(20)被上、下缓冲区(12、14)包围,该缓冲层具有预定的最小数目的层(30)(或厚度),并且在这些层之间具有同向增强细丝(32)和树脂(34)。当该细丝(32)与该纤维(20)的经线轴垂直取向时,该缓冲区(12、14)使得该传感器(28)显示对最小树脂粘度和该树脂(34)的凝胶化点(即,快速交联速度的开始)的最大灵敏度。缓冲区(12、14)也具有最小的厚度,用来使传感器(28)隔绝来自外层区(10,16)的层(30)中的任意角度的细丝(32)的干扰应力,该外层区(10、16)包围着该缓冲区(12、14)。

说明书

技术领域

本发明涉及固化过程的监控且更具体地涉及使用光学纤维光栅以完成这种控制。

背景技术

已知在复合结构领域中复合层状结构可以通过包括压模和树脂转移模塑的常规技术来成形。对于压模，由使用环氧树脂浸渍的石墨细丝组成的层被堆叠成预定厚度，使每个这样的层具有一个预定的纤维取向。所得的被堆叠成的预制结构称为一个“叠层”。该叠层被放入一个具有内置预成形模具的热压机中，并在经过一个预定温度及压力随时间分布的过程中将这些层压在一起并且压实。该分布通常包括在向叠层施加压力的同时升高温度直至树脂开始固化(或硬化)。在该部件达到完全固化的温度和时间后将其冷却。

作为已知的树脂转移模塑的一个类型，细丝被编织在一起以形成一种具有所需的细丝叠层取向的“预制件”结构，并将预制件放进一个模具中。然后热树脂被注射到模具中并在细丝间流动以达到贯穿该结构的均匀树脂浸润。下一步使用一个适合的温度及压力的分布过程加热该模具以固化树脂，然后将其冷却。

在生产这种复合结构的工艺中遇到的一个问题是结构可能具有一个变化的厚度但是整个结构却受一个相同温度分布的固化过程的作用。对于复杂的几何部件，较薄区域可能在较厚区域之前固化(硬化)。在这种情形下，可产生不均匀的内部残留应力，可能损害部件的结构完整性。还有，在较厚区域中，外层可能在中间层固化之前固化。那么如果中间层放出气体(即在固化过程中释放出气体)，气泡容易渗透过未固化的层并被截留在已固化的外层之下。这些被截留的气泡可能在叠层结构中气泡聚集的区域上产生弱点，由此减弱了该结构并可能导致过早脱层。当没有设计出温度分布图以致薄区域和厚区域两者都不均匀地固化时这些问题就发生了。

然而，如果在固化过程中能够监控在复合结构内部的贯穿厚度的温度分布以及树脂粘度，那么温度分布可相应地变化以便让复合结构的薄的和厚的部分两者都更加均匀地固化，由此得到贯穿整个结构的更均匀固化。因此，为了优化复杂部件的复合材料固化过程，需要传感器以测量在压实过程中材料的变化。

通常用于测定固化过程信息的两种现有技术方法是超声测量和流变学测量。已知的超声测量装置包括一个被安装在结构一侧的超声波振子，用来产生贯穿结构厚度的声波，以及一个位于结构另一侧的超声波接受器，用来接受这些声波。贯穿结构的声波速度与传播波的结构内部树脂的粘度直接相关。当声速显著提高时，已经发生了快速交联(或硬化或凝胶化)。然而，这种技术只是测量声波发送器和接受器所跨体积内的平均粘度，并因此不能提供一个贯穿结构厚度的分布测量。

已知技术中的另一方法是流变测量。在那种情况下，通过施加扭力以测定作为温度函数的粘度特征来分析将要固化的部分材料。然而这种方法是脱机地，而不是在结构的固化过程中进行的并因此不是一个实时的测量方法。还有，在脱机表征与材料的实际固化之间的时间间隔可能在被表征的材料与正在固化的材料之间产生迟滞的差异(aging differences)。

本发明的描述

本发明的目的包括提供复合结构树脂固化的监控以优化固化的时间、温度、压力和化学变化。

按照本发明，复合结构树脂固化的监控装置包括一根具有一个被埋置其中的光栅传感器的光学纤维；以及邻近传感器排列的缓冲装置，用来使传感器探测出最小树脂粘度和树脂凝胶点并使传感器隔绝来自复合结构其他部分的干扰应力。

进一步按照本发明，缓冲装置包括预定数目的层，每一个层包含基本上相互完全平行取向的增强缓冲细丝。更进一步按照本发明，增强缓冲细丝与光学纤维的经线轴基本上垂直取向。

由于发现纤维光栅传感器可按如此方式埋置在结构层的内部以致当树脂达到最小粘度以及当发生快速树脂交联(或凝胶化或硬化)时能够进行测量，以及更具体地发现纤维传感器必须被最小厚度的缓冲区所包围使得光栅传感器能够对最小树脂粘度和树脂凝胶点(即快速交联速率的开始)表现出最高的灵敏度，还同时使传感器隔绝来自缓冲区以外区域任意角度细丝的干扰应力，本发明相对于现有技术有明显改进。

测量最小树脂粘度和凝胶点是重要的，因为为了施加压力使树脂均匀地围绕增强细丝，人们必须知道何时树脂粘度最低。还有，人们必须在发生这种凝胶之前施加这种压力。

更进一步，光学纤维光栅传感器具有许多使它们特别适合复合材料与结构的固化过程监控的特点。例如，它们具有小的直径(外径小于150微米)，它们具有小的标距(准点式(guasi-point)传感器)，它们对高温(大于400℃)稳定，它们与环氧树脂粘结很好，它们可以倍增以得到沿着单一纤维分布而使用单一的输入/输出接点的许多传感器，以及它们足够结实和耐久(即良好的断裂伸长率以及抗拉强度)，使其具有超过大多数复合结构应用所要求的疲劳寿命和测试范围。更进一步，纤维光栅传感器可在组合未压实叠层时方便地安装在复合部件内。传感器可以以这种方式排列在结构内的许多位置上来进行分布测量。

按照以下如在附图中描述的典型实施方案的详细描述，本发明上述的及其他的目的、特点和优点将变得更加明显。

附图的简要说明

图1为显示按照本发明包围一个纤维布拉格光栅传感器的多个层的复合结构透视图。

图2为图1复合结构的单个层的侧视图显示按照本发明增强细丝。

图3为按照本发明对于一个偏离相邻增强细丝方向90°取向的布拉格光栅传感器的温度及传感器反射波长相对时间的图。

图4为按照本发明图3传感器反射波长的放大图。

图5为证实按照本发明图3结果的流变粘度相对时间的图。

图6为证实按照本发明图3结果的声速相对时间的图。

图7为按照本发明对于一个与相邻增强细丝取向相同的布拉格光栅传感器的波长及温度相对时间的图。

图8为按照本发明对于包围传感器的不同厚度的缓冲区的传感器反射波长的变化相对时间的一组曲线。

实施本发明的最佳方式

参照图1，一个用于监控复合结构树脂固化的被埋置的光学纤维传感器包括多个区域10，12，14，16(下文中讨论)以及一根被埋置在区域12与14之间的光学纤维。纤维20包括具有一个掺杂锌基的石英芯(germanai adoped silica core)的典型通讯用单个空间型纤维，位于总外径(芯和包覆层)为大约125微米的包覆层内的直径为大约6微米。如果需要，可以使用其他的纤维组成，尺寸及模式。还有，如果需要，可以使用有或没有外壳或缓冲层的纤维。纤维20的芯具有至少一个压在其中的反射元件28，如布拉格光栅，与都授权给Meltz等的称为“分布的，空间分辨的光学纤维应变仪”的美国专利№4806012以及称为“分布的，空间分辨的光学纤维应变仪”的美国专利№4761037中所讨论的相似。纤维20内的光栅28也被称之为纤维光栅“传感器”。该光栅传感器28的长度(或标距)为大约1至10mm，使其几乎为一个点型(point-type)传感器(即准点式传感器)。如果需要可以使用其他的长度。

区域10-16中的每个包括多个层30(用在压模过程中)。层30中的每一个层包括以预定方向被埋置在层30中的由石墨制成的圆柱形增强细丝32。层30中给定一层内的细丝32基本上相互平行。在细丝32之间和周围是一种已知的聚合物基质34，如工业中已知的热固性环氧树脂。如果需要，其他材料可以用作细丝32，而且其他热固性聚合物基质材料可以用于其之间的区域34。例如细丝32可由玻璃、尼龙、织物、KEVLAR^(聚合物细丝)或其他材料制成。还有，层30中的一层或多层可由纤维玻璃增强的聚合物树脂或其他材料制成来替代。还有细丝32在形状上不必为圆柱形。层30也称为“片”而整个层叠结构8称为“叠层”(或层状的或复合的结构)。

作为图1中的叠层，紧邻且包围光学纤维20的每个区域12，14具有三层30，每层都具有沿着“xyz”坐标轴体系36中的x轴取向的细丝32，x轴与光沿其传播的光学纤维20的经线轴(或z轴)成90°或相垂直，。区域12，14称为如下文所讨论的“缓冲”区。包围“缓冲”区12，14的其他区域10，16具有与纤维20任意角度取向的细丝32。图1中的叠层8相应地具有图样：[任意的，90°，90°，90°，]纤维[90°，90°，90°，任意的]。

具有任何细丝取向变化的图1中的叠层可通过如以上在背景技术部分中对此所讨论的各种方法来生产。例如层30可以预制，使细丝32被其间的树脂34预浸润。然后可将层30与位于所需层之间所需位置上的纤维20组合成所需的叠层图样。然后在一个密闭模具中或以热压过程将组合件压实。可选择地，可用相似的方式组合成一个干织物叠层以用于如上文所讨论的密闭树脂注射模塑过程。对任一过程，树脂被升高到发生化学反应以引起基质聚合(即固化)的某个温度，然后基质硬化并被冷却(下文中更多地讨论)。如果需要，可以使用其他的生产方法。

参照图2，每一细丝32实际上可以是比细丝32细得多的石墨纤维(或束)40的挠曲束。细丝32被树脂34所包围且通常具有大约5-10微米的直径d₁，并在给定层中相互隔开由给定层总体积中增强石墨的所需体积百分比(如50-70％)所决定的距离d₂。每层的厚度t₁在固化前为大约10密耳(0.010″)，在固化后为大约5密耳(0.005″)。如果需要，可以使用其他的厚度、直径和百分体积。还有，细丝32不必是一个挠曲束，但可以是实心的。

应该理解，图1和2中的层30是理想化的分离的层30，并且，在压实后的最终层状复合结构中层30不能很好地定界。特别是一层中的细丝在固化过程中可能被转移并且在其他层的细丝间重新定位，而且在一层中的细丝之间及周围的树脂34将与其他层的树脂结合，由此消除了层与层之间任何明显的界限。

参照图1，正如已知的，当具有布拉格光栅28的纤维20被埋置在结构中并用作传感器时，将光50射入纤维20的一端，如上述的授权给Meltz等的美国专利中所讨论的。光栅28将预定的窄波段光50反射成回(反射)光52，由此使剩余波长的光穿过光栅28成为光54。例如通过一个光谱分析仪(未显示)来分析回光52(和/或穿过的光54)以测定由传感器28被埋置其中的结构8的应力和/或温度的变化引起的在光栅反射波长λ_B上的偏移。

我们已经发现当具有光栅传感器28的光学纤维20被具有相对纤维20的z轴成90°角取向的增强细丝32的紧邻(上和下)缓冲区12，14所包围时，传感器28对贯穿树脂固化过程(下文中讨论)各个不同阶段的树脂参数的变化表现出最高的灵敏度。在外层区域10，16中的层30的细丝32可以按结构所需的任何方向而取向。缓冲区12，14中的细丝32的其他取向也可使用，但传感器28的响应不是优化的(如下文中所讨论的)。

现在参照图3，温度相对时间的图由曲线100显示而重叠其上的是如曲线102所显示的布拉格光栅28的中心反射(或反射率)波长λ_B相对时间的图。曲线100，102是在图1叠层8的复合层叠过程中标绘的，该叠层在所有增强细丝32都沿着z轴(垂直于光学纤维20)取向的每一缓冲区12，14中具有三个相同方向的层，而其他区域10，16是不存在的。在将预制的叠层放入一个模塑热压工具后，施加一些压力使排列稳定并使其对准而不偏移。这种横向压力的应用在传感器28(图1)的过滤功能(filter function)中产生了微弯的变化，由此提高了其反射波长，如点104的波长所表示的。由细丝32作用于传感器28表面的力随着温度100升高而增大，如固化过程的A区中的曲线102的正斜率所表示的。这种横向应力在传感器28上的分布持续增大直至某个容易辨认的温度(如110°F)上的点106，这时树脂粘度开始下降而且树脂变得更软和更液态状。当发生这种变化时，树脂再也不能让增强细丝将横向应力分布作用在传感器28上。结果在纤维传感器28上的横向应力开始下降而且相应地发生波长偏移，如分布图102的B区中曲线102的负斜率所表示。当树脂在C区中达到其最液态状的状态时，许多横向应力由于增强细丝现在可在低粘度树脂的流体静环境中自由地使它们自己重新定位而消失了。在很多生产过程中，这是通过在热压中增加作用于模具上的力来向叠层施加增大了的压力的最佳时间，而这将进一步保证贯穿该结构的均匀树脂流动。

由于固化过程的温度在贯穿C区中持续升高，树脂开始交联(或硬化)。交联速率在点110(也称为“凝胶”点)上大大增加而且树脂开始粘在光学纤维传感器28的表面。随后，由于其具有一个正的热膨胀系数，树脂随着固化过程温度的进一步升高而膨胀。结果是，由于树脂现正在传感器周围硬化且粘在其上，它随着材料的膨胀而对传感器28施加应力，如D区所表示的。曲线102在D区的正斜率部分(开始于点110)表示当温度持续升高时作用在传感器28上的应力增加。这种应力增加的开始提供了一种凝胶点的明显迹象。

在大多数生产过程中，使凝胶点在贯穿结构中均匀地发生以优化结构的完整性是有用的。这样，当其被放入如这里所表示的结构中时，光学纤维传感器28可用作识别这种效应。

最后，在部件达到温度曲线100上的点114的完全固化温度和时间之后，将其冷却至冷却区E。由于当树脂在升高的温度下处于膨胀状态时传感器28被“冷冻”在树脂中(即树脂硬化并粘在传感器上)，当结构冷却下来时传感器28测量的是压应力。这由起始于点114并随温度降至E区而连续的分布图102的负斜率表示。由于冷却后作用在纤维传感器28上的不均匀横向压应力，反射波长曲线102在点120上分成两条曲线116，118，该点表示出在纤维20上引起的双折射。在冷却区E的底部，传感器28的测量由部件沿z轴方向的最终残留收缩来支配。

这样当其冷却时，传感器28还提供一种对结构上的残留应力及其收缩的定量评估。这种收缩测量可帮助指导使翘曲最小化的固化过程的进行，以至于减少了为获得所需结构最终的特定尺寸而要求的固化后的机械处理。

这样，复合结构树脂固化的三个关键方面已由被本发明缓冲区12，14所包围的传感器28表现出来：(1)树脂的最小粘度，(2)树脂的凝胶点(即快速交联速率的开始)，以及(3)结构中的残留应力。这些固化状态中的每一种可以容易地在图3中与缓冲区12，14的增强细丝32成90°放置的纤维光栅传感器28所示的传感器数据中被辨认出来。

现在参照图4，5和6，图3的结果可使用两种对比方法经过图3中所示的相同温度分布图100而证实。首先参照图4，图3中的A，B，C区及一部分D区的放大图显示出发生凝胶化的点110，用于与图5及6作比较。

参照图5，使用已知的(在上文背景技术中讨论的)脱机状态下进行的流变粘度测试，粘度大大增加的点表示与图3和4中的点110相对应的粘度曲线152上的点150。还有，参照图6，使用已知技术(在上文背景技术中讨论的)中的声速方法，凝胶点发生在与图3和4中的点110相符的声速曲线158上的点156(以及在相应的粘度曲线上的点160)。然而纤维光栅传感器28的使用能够提供比脱机流变方法更准确数据并能提供通过声速方法不能得到的分布测量。特别是如上文所讨论的，对取自结构的材料样品的流变粘度测试是在脱机状态下，而不是在其自身的固化过程中进行的。进一步地，也如上文所讨论的，声速方法是在固化过程中进行的，它需要用于横向穿过叠层传播声波的超声波振子以及用于在相对侧检测声速的超声波传感器。还有这种方法只是提供一种跨越该结构的平均粘度的测量而没有贯穿厚度的分布测量。对于在图4，5和6中进行的测试，叠层是与图3所描述的(即每一缓冲区12，14中的三层30且没有其他区域10，16中的层)相同的叠层，且因此该叠层相当薄。平均粘度的读数相应地会与在部件中间处的完全相同，并因此可用于和纤维光栅传感器方法进行比较。

现在参照图7，温度分布图100是依据光栅传感器28(与图3相似)的反射波长而标绘的，如都依据时间而标绘的曲线200所显示的，其中缓冲区12，14中的细丝32沿着纤维的z轴取向，即与纤维的z轴成0°角。所用叠层是与图3所描述的(即每一缓冲区12，14中的三层30且没有其他区域10，16中的层)相同的叠层。可以看出，当纤维与层12，14中的细丝垂直时，所得结果并没有清楚地显示出图3中所显示的最小粘度和凝胶化效应。

于是，我们发现，由于细丝32并不抑制传感器28在经线上的响应而且树脂34的热膨胀系数比细丝32的要大得多，当缓冲区12，14中的细丝32垂直于光学纤维20的经线轴取向时产生了最高的传感器灵敏度。同时，当缓冲区12，14中的细丝32如图3所示垂直于光学纤维20取向时，沿着光学纤维20经线轴上的应力将会由树脂34(一旦发生凝胶化)的热膨胀系数所支配。相反，如果缓冲区12，14中的细丝32如图8所示与光学纤维20平行，传感器28受细丝的高硬度(细丝32的硬度比树脂的硬度大得多)以及细丝32的低膨胀系数抑制，使得传感器难以探测出树脂状态的变化。进而，缓冲区12，14中细丝32的取向除了90°以外也是可以的，但传感器28的响应将不是优化的。同样，如上文所讨论的，外层区域10，16中的层30的细丝32可以向任何结构所需的方向取向。

参照图1和8，我们还发现包围纤维光栅传感器28的缓冲区12，14中的每一个至少需要三层30(固化前预固化厚度t₁为上文讨论的)以便当传感器被埋置于较大叠层中时(即当外层区域10，16至少具有其中的一层时)能探测出最小的树脂粘度及树脂34的凝胶化。特别是缓冲区12，14保护或隔绝纤维20和传感器28以防来自外层区域10，16中的层(或片)30的任意角度细丝32的干扰应力。

参照图8，四条曲线250，252，254，256更具体地为每个缓冲区12，14分别具有一层，两层，三层和四层的构型时代表的起始传感器读数(在发生加热之前)经过图3(未在图8中显示)的温度分布图100后产生的传感器反射波长的变化(Δλ_B)。还有，用于产生图8结果的叠层在外层区域10和16(图1)中具有单个的层30(或表层片)，细丝32沿着纤维20的z轴取向以将该结构结合在一起并向传感器28施加横穿片的干扰应力。当缓冲区12，14中的每一个中具有一层或两层30时，曲线250，252不能准确地表示出何时产生最小的树脂粘度和凝胶点。然而，当在缓冲区12，14中的每一个中使用三个层时，曲线254显示出凝胶点产生在点258上，与图3中所示的相似。相似地，当在缓冲区12，14中的每一个中使用四层30时，曲线256显示出凝胶点产生在点260。为了准确地探测最小的树脂粘度和凝胶化，围绕纤维20的缓冲区12，14所需的最少层数为3。尽管缓冲区12，14可使用更多的层，通常最好是减少具有相同取向细丝的层(即同向片)的数目。传感器28必须相应地在传感器28的每一侧具有至少三个同方向的层或片(每片的厚度t₁已在上文中讨论)，以保证传感器对树脂粘度变化的准确响应。如果层30比在此所讨论的要厚些或薄些，缓冲区12，14中所需的层30的数目可相应地少些或多些，只要最终的缓冲区12，14能使纤维隔绝来自外层区域10，16的层的应力。

尽管本发明已经以使缓冲区12，14中的细丝32垂直于纤维20的经线或z轴的形式表现出来，应该理解这种取向对于树脂参数的变化，特别是最小树脂粘度及树脂凝胶点(即快速交联速率的开始)的探测提供了最高的灵敏度。只要细丝的角度偏离90°，对这些树脂变化的灵敏度就降低，这样在λ_B上的相应变化在数值上要小得多，使通过光栅传感器28进行的依赖于其他干扰源的存在以及外部光学探测装置(如光谱分析仪)灵敏度的探测更加困难或不可能。

进而，应该理解缓冲区12，14中的细丝和/或树脂不必由与该结构的外层区域10，16中的细丝和/或树脂完全相同的材料制成，只要缓冲区12，14表现出来的特征能代表外层区域10，16中树脂固化的特征。例如，缓冲区12，14中的细丝32可由玻璃制成，而外层区域10，16中的细丝32可由石墨制成，反之亦然。更进一步，如果需要，可以使用与传感器相邻并使传感器能探测出最小树脂粘度及树脂凝胶点且使传感器隔绝来自复合结构其他部分(即外层区域10，16)的干扰应力的任何其他的缓冲区以替代其中具有细丝和/或树脂的缓冲装置12，14。

还有，可以沿着纤维20埋置多于一个的传感器28以探测出树脂在沿着该结构的方向分布点上的变化。在那种情况下，可以如授权给Morey的称为“分布的倍增光学纤维布拉格光栅传感器的排列”的美国专利№4996419；授权给Dunphy等的称为“纤维光栅传感器的诊断体系”的№5401956；以及授权给Dunphy等的称为“倍增布拉格光栅传感器”的№5426297中所描述的使用传感器倍增技术。此外可以沿着结构8的x轴(沿着一层)分布多根光学纤维或一根长光学纤维。进而，可以沿着结构8的y轴(或厚度)分布多根光学纤维及相应的缓冲区12，14。一个结构可以包含数以百计的具有分布在贯穿结构厚度的关键测量点上的多根光学纤维20和传感器28的层30。因此，本发明对结构的不同区域何时已达到最小树脂粘度并然后达到凝胶点提供了深入了解，由此可以针对给定结构设计出优化的固化过程。

例如，具有贯穿结构8厚度的多个传感器28使得可以设计出优化的温度固化分布图，这样外层表面的固化将发生在相对于其在中间层所发生的情形更合适的时间内，由此使叠层内被截留的气体最少。

本发明可以以许多不同的方式使用在生产过程中。例如，本发明可用于设计出优化的固化过程以使起始构造成形，然后将其用于相似结构的所有随后过程中。可选择地，每批预浸润材料可装配上这种传感器以便为了优化固化对每批材料进行批测试。可选择地，如果需要，生成的每个结构中可装配上这种传感器。

一旦这种层状结构被预制出来，该结构中具有光学纤维20和传感器28的区域可被劈开或可选择地，光学纤维20和传感器28可保留在该结构的内部以便在结构的使用过程中提供已完成结构的应变测量。

如果需要将光学纤维20和传感器28保留在该结构内部，我们已发现，为了使纤维20和传感器28不负面影响最终材料的强度，它们必须：(1)具有小的总直径，如，小于150微米(包括芯、包覆层和外壳)；(2)具有高抗拉强度，如，大于100k磅每平方英寸(psi)以及大的断裂伸长率，如，大于1％(断裂前的长度伸长程度)；和(3)与复合结构(树脂和细丝)粘结很好。如上文所讨论的，某些标准的通讯用纤维具有这些特性。