一种内植FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺

摘要

本发明属于复合材料制备及无损监测领域，具体涉及一种内植FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺。该连续制造工艺包括光纤光栅前处理、碳纤维板材拉挤成型、成型复合材料的裁切以及光纤光栅传感器引线的后处理。该连续化制造工艺有效解决了拉挤成型连续化制造过程中光纤光栅传感器在预定长度上的引线接头难以引出的问题。在保证拉挤成型效率不明显降低的条件下，消除了内置接头方法对复合材料拉挤板材力学性能的不利影响。为智能化拉挤成型复合材料板材的制造及复合材料截面光纤引线的顺利引出提供了一种可靠稳定的方案。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备及无损监测领域，具体涉及一种内植FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺。

背景技术

随着社会经济及城市化进程的不断加速，国家的工程设施及城市基础设施建设在过去的一段时期内得到了快速发展，诸多建筑、桥梁及工程结构已经投入使用几十年甚至更长时间。随着这些基础设施使用时间的不断增加，设施老化及其面临的使用安全风险不断加大，所以对这些基础设施的使役状态的监控以及设施的维护与保养已经成为接下来社会发展所要面临的重要问题。

碳纤维增强复合材料单向板材的成型工艺是将纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性能良好等特点，能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量，在抗剪加固、桥梁以及隧道的预应力加固补强方面有广泛应用。随着补强加固技术的不断进步以及在线监测技术的不断发展，在拉挤成型复合材料板材结构中植入传感器进行设施的结构在线健康监测已成为建筑补强领域的重点发展方向。

光纤Bragg光栅(FiberBragg Grating,FBG)传感器具有结构简单、抗电磁干扰性强、便于内植并易于成网等特点，相比于金属应变片及其他类型的传感器，其在原位在线监测方面具有明显优势。当然，FBG传感器也存在一些缺点，其中最主要的就是光纤的抗剪切性能差，并且栅区部位作为测量敏感部件，脆弱易断，一旦光栅的栅区折断就会造成监测信号中断，这无疑为FBG传感器在复合材料拉挤板材中的植入、传感器引线及复合材料单向板材的连续化生产带来很大困难。

为解决上述问题，近年来已经进行了一系列探索，具体来说，专利200810217549.0公开了一种光纤光栅传感器内埋于纤维高聚物复合材料的系统及方法，该方法将单根光纤由导入模引入纤维束中并一起同过拉挤成型模头。这样的方案未考虑到FBG传感器光纤的预拉伸，在植入过程中很难精准定位FBG传感器在复合材料中的位置。专利200910057487.6公开了一种光纤光栅复合材料智能筋的制备系统及方法，该发明结合拉挤成型及模压成型的特点，将FBG传感器植入两个预成型体中间位置，并在两端加工连接头，这种方案一方面降低生产效率，另一方面，在应用于拉挤成型板材时，由于板材厚度相比于筋材的直径小很多，最小厚度仅为0.9mm-1.4mm，并不易于在光纤两端嵌入内埋式的引线接头。专利201710223794.1公开了一种光纤光栅连续植入拉挤成型复合材料的系统及方法，该发明在光纤光栅植入系统中加入预拉伸装置避免光纤的折断，但是并未考虑到FBG传感器光纤引线从复合材料裁切端面引出的问题，难以实现内植长标距FBG传感器的复合材料拉挤板材的连续化制造。

综上所述，需要一种内置FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺及方法，这对于实现FBG传感器在拉挤成型智能化复合材料中的稳定植入并连续化的制造及使用有重要意义。

发明内容

本发明主要目的及解决的关键问题是提供一种内置FBG传感器的拉挤成型复合材料板材的连续制造工艺，在保证FBG传感器在复合材料拉挤成型过程中顺利存活的前提下，实现内植FBG传感器的拉挤成型智能化复合材料板材的连续化制造。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种内植FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺，包括以下步骤：

步骤1，光纤光栅前处理：按照拉挤成型复合材料板材的加工制造需要，在连续的光纤上预先刻制多个光栅栅区，将刻制有多个光栅栅区的连续光纤浸渍于表面改性剂中进行表面处理并加热烘干，待表面改性剂完全干燥之后，根据每段拉挤成型复合材料板材的规定长度，在连续光纤的预定裁切位置均匀涂覆自润滑涂层；

步骤2，碳纤维板材拉挤成型：成卷的碳纤维材料从纤维纱架引出，按顺序依次经过纤维导向装置、树脂浸渍装置，使纤维束均匀浸渍树脂，并使浸渍树脂的碳纤维材料经过光纤输送装置，穿过纤维集束板；将刻制有多个光栅栅区的连续光纤从光纤集线器上引出，经过光纤传送器，从纤维集束板预定位置的导向孔中穿过，使刻制有多个光栅栅区的连续光纤被碳纤维材料均匀包围；然后一起进入加热成型模具进行固化成型，并将成型后的复合材料板材连续输送到板材牵引装置；

步骤3，成型复合材料板材的裁切：复合材料板材经板材牵引装置输送达到光纤的预定裁切位置之后，对复合材料板材进行切割，采用两级裁切装置进行复合材料板材的裁切：

首先进行横向裁切，控制刀具从复合材料板材边缘向内植光纤光栅的部位进行裁切，使复合材料板材中间部位内植有光纤的部分依然保持连续；复合材料板材横向裁切完成之后，继续利用纵向裁切刀具进行二次裁切；

步骤4，FBG传感器引线的后处理：对裁切完成后复合材料板材两端截面处的光纤引出线进行后处理，将切割之后光纤周围的碳纤维采用剥线器进行剥离，保留完整的裸光纤引出线，与FC/APC跳线熔接之后，即完成FBG传感器在拉挤复合材料板材中的植入与连续制造。

以上步骤中，经过光纤的表面预处理、FBG传感器的稳定植入、连续裁切以及后处理过程，可以最大限度地减少因FBG传感器植入所引起的复合材料板材力学性能的损伤，增加光纤与复合材料之间的界面结合力。同时，经过连续裁切工艺，在不损伤FBG传感器及光纤引线的前提下，提高制备效率及稳定性。

进一步，所述步骤1中光栅栅区的中心波长相差10～15nm，保证智能化碳纤维复合材料板材在使用过程中各个栅区漂移后的中心波长不会发生重叠，有效保证应变测试的准确性及精度。

进一步，所述步骤1中的表面改性剂为偶联剂、硅溶胶或两者的共混复配溶液，所述表面改性剂在刻制有多个光栅栅区的连续光纤浸渍之前采用有机溶剂溶解，以保证合适的浸渍溶液粘度，增加表面改性剂在光纤表面的浸渍均匀性。

进一步，所述步骤1中光纤预定裁切位置为光纤长度达到复合材料板材预定长度的位置，对连续光纤上的预定裁切位置进行标记，在后续裁切工序中可以使裁切更加精确。

进一步，所述步骤1中自润滑涂层为聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯，所述自润滑涂层的厚度为0.2～0.4mm，控制自润滑涂层的厚度，一方面保证光纤引线与复合材料较小的粘附性，另一方面，保证复合材料裁切部位较好的力学性能，放置裁切截面的光纤位置发生劈裂；所述自润滑涂层的长度为1～1.5m，保证复合材料板材的两端截面都预留足够长度的光纤引线。

进一步，所述步骤2中纤维集束板预定位置根据复合材料板材中需要植入光纤光栅的数量进行确定，植入的FBG传感器沿纤维集束板的中心位置对称分布，相邻两束光纤之间的距离不小于10mm。如果两束光纤之间的距离太近，则很难从固化裁切后的复合材料中将两束光纤同时剥离，后处理过程会增加FBG传感器引线破坏的风险。

进一步，所述步骤3中两级裁切装置包括：装置固定框架、升降装置、纵向滑轨、横向裁切系统、纵向裁切系统；所述装置固定框架用于固定裁切装置并输送已成型复合材料；所述升降装置连接在装置固定框架顶面下方，用于控制刀具组件在竖直方向的进给；所述纵向滑轨连接于升降装置下方，用于驱动刀具组件沿前后方向运动及进给裁切；所述横向裁切系统连接在纵向滑轨上，用于拉挤成型复合材料垂直于牵引方向的横向裁切；所述纵向裁切系统连接在纵向滑轨上并置于所述横向裁切系统后方，用于拉挤成型复合材料在横向裁切之后，沿牵引方向的纵向裁切。

再进一步，所述装置固定框架包括固定基座、框架立柱以及上部盖板，所述固定基座设有材料输送槽，所述材料输送槽内部设置有材料输送导辊；所述升降装置驱动方式为电驱动，包括前后两组可升降立柱，运行过程中两组可升降立柱同步升降，并设置有下降限位装置。

再进一步，所述横向裁切系统包括一级横向导轨、一级限位装置、横向伸臂、横向裁切刀轮以及驱动电机；所述一级横向导轨连接在纵向滑轨下部，所述一级限位装置置于一级横向导轨下方，可沿一级横向导轨两端边缘向中心移动，一级限位装置限制两横向裁切刀轮之间的最小距离为2mm，横向伸臂与一级限位装置之间通过横向转轴连接，横向伸臂可绕横向转轴转动，所述横向裁切刀轮及驱动电机，分别安装在横向伸臂的前后两侧，裁切过程中驱动电机驱动横向裁切刀轮转动，横向裁切刀轮安装刀刃方向垂直于复合材料输送方向，所述横向裁切刀轮的刃口厚度为0.6～0.8mm；

所述纵向裁切系统包括二级横向导轨、二级限位装置、纵向伸臂、纵向裁切刀轮及驱动电机；所述二级横向导轨连接于纵向滑轨下部，左、右两个二级限位装置置于二级横向导轨上，用于调整两个纵向裁切刀轮之间的间距，二级限位装置限制两纵向裁切刀轮之间的最小距离为2mm，纵向伸臂与二级限位装置之间通过纵向转轴连接，纵向伸臂可绕纵向转轴转动，所述纵向裁切刀轮及驱动电机，分别安装在纵向伸臂的两侧，裁切过程中驱动电机驱动纵向裁切刀轮转动，纵向裁切刀轮安装刀刃方向平行于复合材料输送方向，所述纵向裁切刀轮的刃口厚度为0.6～0.8mm。

进一步，所述步骤3中横向裁切是在光纤引线附近2～3mm位置停止裁切，保证复合材料板材截面的顺利切割并且使板材中植入光纤引线的部位保持连续。最小裁切间距的设定可以在保证光纤引线完好的前提下，尽量减少其周围包覆的纤维及树脂的含量，方便后处理过程的光纤引线剥离。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明的拉挤成型装置及内植FBG传感器的复合材料连续化制造方法，有效解决了拉挤成型连续化制造过程中光纤光栅传感器在预定长度上的引线接头难以引出的问题。在保证拉挤成型效率不明显降低的条件下，消除了内置接头方法对复合材料拉挤板材力学性能的不利影响。本发明的装置及制造工艺方法仅需要较简单的光纤前处理以及成型复合材料的后处理过程，即可完成FBG传感器的内植及引线，为智能化拉挤成型复合材料板材的制造提供了一种可靠稳定的方案。

附图说明

图1为本发明涉及的装置结构图；

图2为本发明制造完成的内置光纤光栅的拉挤成型复合材料板材示意图；

图3为本发明两级裁切装置的整体示意图；

图4为本发明两级裁切装置的正视图；

图5为本发明两级裁切装置的侧视图；

其中，6为碳纤维材料、7为纤维纱架、8为纤维导向装置、9为树脂浸渍装置、10为纤维集束板、11为刻制有多个光栅栅区的连续光纤、12为光纤集线器、13为光纤输送装置、14为加热成型模具、15为板材牵引装置、16为两级裁切装置、17为光栅栅区、18为碳纤维束、19为FC/APC跳线、20为光纤引出线；1为装置固定框架、2为升降装置、3为纵向滑轨、4为横向裁切系统、5为纵向裁切系统；101为固定基座、102为框架立柱、103为上部盖板、104为材料输送槽、105为材料输送导辊；201为可升降立柱、202为下降限位装置；401为一级横向导轨、402为一级限位装置、403为横向伸臂、404为横向裁切刀轮、405为驱动电机、406为横向转轴；501为二级横向导轨、502为二级限位装置、503为纵向伸臂、504为纵向裁切刀轮、505为驱动电机、506为纵向转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的阐述。应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

一种内植FBG传感器的拉挤成型复合材料板材连续制造工艺，包括以下步骤：

步骤1，光纤光栅前处理：按照拉挤成型复合材料板材的加工制造需要，在连续的光纤上预先刻制多个光栅栅区17，将刻制有多个光栅栅区的连续光纤11浸渍于表面改性剂中进行表面处理并加热烘干，待表面改性剂完全干燥之后，根据每段拉挤成型复合材料板材的规定长度，在刻制有多个光栅栅区的连续光纤的预定裁切位置均匀涂覆自润滑涂层；

所述在连续光纤上刻制3个光栅栅区，每个光栅栅区的中心波长均不相同，每个光栅栅区的中心波长为1525nm、1540nm和1555nm，保证智能化碳纤维复合材料板材在使用过程中各个栅区漂移后的中心波长不会发生重叠，有效保证应变测试的准确性及精度。

所述表面改性剂采用偶联剂，表面改性剂在刻制有多个光栅栅区的连续光纤浸渍之前采用丙酮进行溶解，以保证浸渍溶液的粘度低于300mPa.s，增加表面改性剂在所述光纤表面的浸渍均匀性。

所述每段拉挤复合材料板材的长度为10m，光纤预定裁切位置是光纤长度达到复合材料板材预定的10m长度位置，对连续光纤上每隔10m距离的预定裁切位置进行标记。

所述自润滑涂层包含聚四氟乙烯，自润滑涂层的厚度为0.3mm，控制自润滑涂层的厚度，一方面保证光纤引线与复合材料较小的粘附性，另一方面，保证复合材料裁切部位较好的力学性能，放置裁切截面的光纤位置发生劈裂。

所述自润滑涂层的长度为1.5m，保证复合材料板材的两端截面都预留足够长度的光纤引线。

步骤2，碳纤维板材拉挤成型：成卷的碳纤维材料6从纤维纱架7引出，按顺序依次经过纤维导向装置8、树脂浸渍装置9，浸渍树脂的碳纤维材料经过光纤输送装置13，穿过纤维集束板10；将刻制有多个光栅栅区的连续光纤11从光纤集线器12上引出，经过光纤输送装置13，从纤维集束板10预定位置的导向孔中穿过，使刻制有多个光栅栅区16的连续光纤11被浸渍树脂的碳纤维材料均匀包围；浸渍树脂的碳纤维材料与刻制有多个光栅栅区16的连续光纤11经过纤维集束板10之后，一起进入加热成型模具14进行固化成型，并将成型后的复合材料板材连续输送到板材牵引装置15；

所述的复合材料拉挤成型板材中需要植入光纤光栅的数量为1根，植入的光纤光栅位于纤维集束板10的中心位置。

步骤3，成型复合材料板材的裁切：复合材料板材经板材牵引装置15输送达到光纤的预定裁切位置之后，对复合材料板材进行切割，采用两级裁切装置16进行复合材料板材的裁切：

首先进行横向裁切，控制刀具从复合材料板材边缘向内植光纤光栅的部位进行裁切，使复合材料板材中间部位内植有光纤的部分依然保持连续；复合材料板材横向裁切完成之后，继续利用纵向裁切刀具进行二次裁切；

所述两级裁切装置16包括：装置固定框架1、升降装置2、纵向滑轨3、横向裁切系统4、纵向裁切系统5；所述装置固定框架1包括固定基座101、框架立柱102以及上部盖板103，所述固定基座101设有材料输送槽104，所述材料输送槽内部设置有材料输送导辊105，用于固定裁切装置并输送已成型复合材料；所述升降装置2连接在装置固定框架1顶面下方，用于控制刀具组件在竖直方向的进给，升降装置2的驱动方式为电驱动，包括前后两组可升降立柱201，运行过程中两组可升降立柱201同步升降，并设置有下降限位装置202；所述纵向滑轨3连接于升降装置2下方，用于驱动刀具组件沿前后方向运动及进给裁切；所述横向裁切系统4连接在纵向滑轨3上，用于拉挤成型复合材料垂直于牵引方向的横向裁切，所述横向裁切系统4包括一级横向导轨401、一级限位装置402、横向伸臂403、横向裁切刀轮404以及驱动电机405；所述一级横向导轨401连接在纵向滑轨3下部，所述一级限位装置402置于一级横向导轨401下方，可沿一级横向导轨401两端边缘向中心移动，一级限位装置402限制两横向裁切刀轮404之间的最小距离为2mm，横向伸臂403与一级限位装置402之间通过横向转轴406连接，横向伸臂403可绕横向转轴406转动，所述横向裁切刀轮404及驱动电机405，分别安装在横向伸臂403的前后两侧，裁切过程中驱动电机405驱动横向裁切刀轮404转动，横向裁切刀轮404安装刀刃方向垂直于复合材料输送方向，所述横向裁切刀轮404的刃口厚度为0.6～0.8mm；所述纵向裁切系统5连接在纵向滑轨3上并置于所述横向裁切系统4后方，用于拉挤成型复合材料在横向裁切之后，沿牵引方向的纵向裁切，所述纵向裁切系统5包括二级横向导轨501、二级限位装置502、纵向伸臂503、纵向裁切刀轮504及驱动电机505；所述二级横向导轨501连接于纵向滑轨3下部，左、右两个二级限位装置502置于二级横向导轨501上，用于调整两个纵向裁切刀轮504之间的间距，二级限位装置502限制两纵向裁切刀轮504之间的最小距离为2mm，纵向伸臂503与二级限位装置502之间通过纵向转轴506连接，纵向伸臂503可绕纵向转轴506转动，所述纵向裁切刀轮504及驱动电机505，分别安装在纵向伸臂的两侧，裁切过程中驱动电机505驱动纵向裁切刀轮504转动，纵向裁切刀轮504安装刀刃方向平行于复合材料输送方向，所述纵向裁切刀轮504的刃口厚度为0.6～0.8mm。

所述横向裁切在接近光纤引线附近3mm位置停止裁切，保证复合材料板材截面的顺利切割并且使板材中植入光纤引线的部位保持连续。

步骤4，光纤光栅传感器引线的后处理：对裁切完成后复合材料板材两端截面处的光纤引出线20进行后处理，将切割之后光纤周围碳纤维束18采用剥线器进行剥离，保留完整的裸光纤引出线，与FC/APC跳线19熔接之后，即完成光纤光栅传感器在拉挤复合材料板材中的植入与连续制造。