粘贴式光纤光栅传感器胶粘剂的选择-李煦

1粘贴式光纤光栅传感器胶粘剂的选择李煦1，贾丽杰2，李嘉1（1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京市100191;2.上海飞机制造有限公司，上海市200436）摘要：胶黏剂粘贴效果的好坏严重影响光纤光栅探测基体应变时的准确性。本文针对碳纤维复合材料，通过一系列实验分析评价了三种环氧型胶黏剂粘贴光纤布拉格光栅传感器时的粘贴效果及应变测量的准确性。首先，在相同粘贴条件下，对试样进行了拉伸试验，通过与应变片数据对比，分析不同胶黏剂对光纤光栅测量准确性的影响。其次，对试样进行弯曲蠕变试验，分析材料在恒定力的作用下不同胶黏剂粘贴稳定性的好坏。昀后通过建立有限元模型，模拟并计算不同粘接层弹性模量下的应变传递效率，进一步验证实验结果，昀终选择出了用于光纤布拉格光栅粘贴的昀佳胶粘剂Epo-tek353ND。关键词：光纤布拉格光栅(FBG)；胶黏剂；有限元法（FEM）；应变传递效率TheSelectionofAdhesiveUsedinPastedFiberBraggGratingSensorLIXu1,JIALijie2,LIJia1(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing,100191,China;2.ShanghaiAircraftManufactureCo.,Ltd.,No.3115,ChangzhongRoad,ZhabeiDistrict,Shanghai,200436,China)Abstract:ThebondqualityofadhesiveaffectstheaccuracyofresultwhenweuseFBGindetectingthestrain.Basedonthecarbonfibercomposite,weconductaseriesofexperimentstoevaluatethestraintransferefficiencyofthreeepoxyadhesive.Firstly,weconducttensiletestsunderdifferentloadsandanalysetheinfluenceofadhesivetothedatagettingfromFBG.Nextwecarryouttheflexuralcreeptest,sowecanstudythestabilityofadhesiveundertheconstantforce.Finally,thefiniteelementmodelisestablishedfordetectingtheeffectofthemodulusofadhesivelayerontheStraintransferefficiencyandverifyingtestresults.ThenthebestadhesiveweselectforFBGisEpo-tek353ND.Keywords:fiberbragggrating(FBG),adhesive,finiteelementmethod(FEM),straintransferefficiency1引言昀近几年结构性健康监测在研究领域和发展领域引起了广泛的关注[1]。由于光纤布拉格光栅应变传感器具有尺寸小、灵敏度好、抗电磁干扰、多路复用能力等优点[2]，成为了昀受关注的光纤应变传感器，被广泛应用于土木建筑[3]、军事装备、航天器材[4]等多个领域的结构健康监测。尤其是将光纤光栅与复作者简介：李煦，女，硕士研究生，主要从事树脂基复合材料健康监测研究；E-mail：[e-mail]。2合材料复合制作成智能材料，实现实时在线健康监测是未来发展的趋势[5]。为实现结构应变监测，光纤光栅器件须以一定的连接方式与被测物固定连接，通过与被测物的协同变形，实现对被测物的应变测量[6]。而在现有的技术手段中，将光纤传感器件利用粘接剂直接固定于构件表面，是昀为直接、简单、可行的测量方法。所以当通过粘贴式光纤传感器测量基体应变时，胶黏剂的质量会直接影响到粘接层的应变传递，从而影响到光纤光栅的应变测量结果。所以选择合适的胶黏剂对光纤光栅测量结果的准确性有重要的意义。由于近年来碳纤维复合材料以其优异的性能成为了人们关注的焦点，使其不仅在航空航天领域，更在很多民用设施上应用广泛。本文针对碳纤维增强复合材料基体，以三种双组份环氧型胶黏剂作为研究对象。分别使用三种胶黏剂将FBG贴在碳纤维复合材料试样上进行静力实验，并配合ABAQUS有限元软件进行模拟计算，选择出一种应变传递效果昀好的胶粘剂用于FBG传感器的粘贴。2实验过程2.1实验材料实验采用的试样是用碳纤维增强环氧型预浸料通过热压罐工艺制作成的复合材料单向板。试样通过WDW-300微控电子万能试验机进行静力试验，包括拉伸试验和弯曲蠕变试验。拉伸试验试样尺寸是250mm×15mm×1mm，弯曲蠕变试验中试样尺寸是300mm×60mm。实验中采用的三种胶黏剂都是环氧型胶黏剂，分别是EpoxyTechnology生产的Epo-tek353ND、Epo-tek323LP和ALTECO的QuickEpoxy。在国内外学者的很多研究中，大多数用于粘贴FBG传感器的胶粘剂都是氰基丙烯酸盐胶黏剂或者环氧型胶黏剂。由于研究针对的是环氧树脂作为基体的复合材料，出于相容性的考虑，我们选择了三种环氧型胶黏剂，其重要指标如表1。表1三种胶黏剂的重要指标胶黏剂混合比例固化温度/时间使用时间Epo-tek353ND10:180℃/15～30min4hEpo-tek323LP10:190°C/30min24hQuickEpoxy1:125℃/40min20min本实验中使用的光纤光栅规格如表2，光纤光栅测得的数据是由MicronOpticsInternational生产的Si425型光纤光栅解调仪进行收集，当光纤光栅受到外部载荷时，其中心波长就会发生偏移，这偏移量就会通过光纤光栅解调仪收集起来。通过不同载荷下的波长偏移量，可以得到不同载荷下基体的应变值。此外，应用电阻应变片与光纤光栅一同测量基体应变，通过DJDAS信号测试系统收集应变片测得的应变数据，收集频率同样是10Hz。表2光纤布拉格光栅传感器的规格参数指标25℃下中心波长／nm1535～1560频带宽度／nm0.3SLSR／dB15反射率／%90光栅长度／mm10.00光纤光栅型号SMF-28Cfiber32.2静力试验光纤布拉格光栅粘接层的材料性能会直接影响FBG传感器的应变测量精度[7]。所以我们进行了拉伸试验，研究在不同载荷下FBG传感器的应变测量精度，旨在选择一种合适的胶粘剂用于光纤光栅的应变监测。由于应变片测量的应变精度高[8]、应用广泛、技术成熟，所以我们通过应变片来评价FBG传感器的应变测量的准确性。在拉伸实验中，为防止因明显的不连续性而引起试样的提前失效，在试样两端正反两面粘贴了加强片，加强片是玻璃纤维增强复合材料制作而成的，尺寸为15mm×58mm×2mm。试样中间进行轻微打磨擦净后将光纤光栅分别用三种环氧型胶粘剂粘贴在试样的正中间，反面正中间用氰基丙烯酸盐胶黏剂粘贴应变片制成三种拉伸试样，并分别以三种胶粘剂的名字命名。其中环氧胶粘接层厚度0.5mm，粘接长度80mm。将试样夹持住以2mm/min的速度进行拉伸实验，拉伸测试原理图如图1所示。弯曲蠕变试验中，用三种胶黏剂分别将三个光纤光栅并排粘贴在复合材料试样上，粘贴长度20mm。试验过程中应用了一个恒定的力80N维持6h，加载的速度是80N/min，光纤光栅解调仪每秒钟收集10个数据。然后通过分析随时间的增长每个光纤光栅传感器测得的应变变化来评价胶黏剂受恒力时粘贴性能稳定性的好坏。图1拉伸试验原理图3结果及讨论3.1拉伸试验由于在应用粘贴式光纤光栅测量复合材料应变时，应变传递到光纤光栅的过程中会在胶接层发生损耗，使得光纤光栅监测到的应变与基体真实应变之间发生偏差，这个损耗量同胶粘剂的性能有关。通常我们将损耗掉的应变值除以基体本身发生的应变值称作应变传递效率，损耗掉的应变越小，真实应变和光纤光栅测量得到的应变值会越接近，应变传递效率就会越高。由于应变片测量得到的应变真实可靠[8]，所以我们将应变片测量的应变视为真实应变，通过比较FBG和应变片的测量结果就可以初步评判胶黏剂的好坏。图2对三种胶黏剂粘贴下FBG测量结果和电阻应变片测量结果进行了比较。从图中可以看出，三组实验中FBG和应变片测得的应变值都是随着载荷的增大呈直线增长的趋势。而且在每条曲线的前端都会发生微小起伏，这是因为拉伸时随着载荷的增大，夹头和加强片之间的会发生微小的滑动，逐渐在加强片上形成楔形小坑，使其有足够的力进行夹持拉伸，从而阻止了滑动的进行，这种现象不会对实验结果造成影响。从定量上看，我们比较了载荷在10kN时胶接层的应变传递效率如表3所示。从表中我们可以看出应变传递效率的顺序由大到小是Epo-tek353ND＞Epo-tek323LP＞QuickEpoxy。4(a)(b)(c)图2比较三种试样的拉伸试验结果(a)Epo-tek353ND；(b)Epo-tek323LP；(c)QuickEpoxy表3载荷为10kN时FBG和应变片测量的应变值偏差胶粘剂类型FBG测量值(με)应变片测量值(με)应变偏差(με)应变传递效率/%Epo-tek353ND4548.4694552.8744.40599.903Epo-tek323LP4147.1094301.119154.0196.419QuickEpoxy4420.0684723.075303.00793.5853.2弯曲蠕变试验由于碳纤维复合材料在30℃以下极限载荷内的弯曲蠕变几乎为零[9]，所以当进行弯曲蠕变试验时，图3显示的结果是由于胶黏剂造成的。从图中可以看出随时间变化应变都有下降的趋势，但Epo-tek323LP对应的光纤光栅测得的应变值下降的幅度昀大，几乎是另外两条曲线的三到四倍。而且在实际测量过程中Epo-tek323LP对应的FBG的波长在4.5h左右时分裂成了十几个波长。FBG在测量过程出现波分裂，说明基体的应变在轴向各点处存在差异，而这种差异是由于Epo-tek323LP承受持久作用力的能力不足导致局部断裂所致。因此Epo-tek353ND和QuickEpoxy的胶接层稳定性高于Epo-tek323LP。图3弯曲蠕变试验结果5通过拉伸实验可以推断出用Epo-tek353ND来粘贴FBG在拉伸载荷下具有较高的应变传递效率。而通过弯曲蠕变实验证明Epo-tek353ND在恒力作用下，粘贴性能的稳定性也是昀优异的。所以通过实验可以初步确定Epo-tek353ND为昀佳胶黏剂选择。3.3有限元分析影响应变传递关系的因素很多，包括胶接层的弹性模量和厚度、传感器本身厚度和弹性模量及它们与结构材料性质的对比值[6]。而本文中只有胶接层的弹性模量这一个变量，所以通过ABAQUS有限元软件进行模拟计算可更直观的了解碳纤维基体在受到载荷时的应变分布情况。通过分析不同胶接层弹性模量对应的应变传递效率，即可以验证实验结果又可以探究胶层弹性模量对应变传递效率的影响。模拟过程中建立的是一个三层的有限元模型，如图4所示包括光纤光栅、粘接层和基体层，三层均为实体单元，层与层之间建立完美接触，采用两端加载方式，其中通过改变粘接层的弹性模量从1GPa到10GPa进行有限元模拟。然后通过计算得到不同粘接层弹性模量下应变传递效率的变化趋势如图5，横坐标是模量，纵坐标是应变传递效率，用K表示。从图中可以看出昀初应变传递效率K随着粘接层弹性模量的增加而增加，当到达一个极限值后，应变传递效率K反而随着粘接层弹性模量的增加而减小，这符合应变传递效率和粘接层弹性模量之间的一般变化规律[6]。而通过三种胶黏剂在曲线上的不同位置，可以知道有限元模拟得到昀佳胶粘剂选择也是Epo-tek353ND，成功的验证了实验结果的准确性。图4传感器三层结构的有限元模型图5不同粘接层弹性模