光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究

光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究

胡大豹，刘琦，苏霞，郭俊刚

中航西安飞机工业集团股份有限公司， 陕西西安 710089

摘要：光纤智能复合材料之所以受到广泛关注，主要与它所能实现的实时在线监测功能有直接关系，主要是针对复合材料内部应力与微小损伤的监测。可是当前制造光纤智能复合材料的手段多局限于手工制造，不仅效率低，效果一致性也很难得到保证。面对现实情况和人们的应用需求，基于纤维铺放技术的光纤智能复合材料自动化制造工艺正在成为光纤智能复合材料制造的主要手段，将光纤的植入过程与纤维丝束铺放过程相结合，实现光纤智能复合材料的自动制造。下面本文将对光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究。

关键词：光纤；智能复合材料；纤维自动铺放技术；制造工艺研究

一、实验设备与材料

首先要指出的是，本文所论述的光纤智能复合材料制造，是在结合纤维铺放系统使用的情况下来实现连续性制造的。纤维铺放系统的正常运行与相应功能发挥，是靠机器人式纤维铺放机去实现的，在16束7 mm宽纤维窄带（最大工作量）的同作用下，纤维铺放机可在平均每分钟内完成30m铺放操作（最快速度），相比手工这样的铺放速度已经非常快了，并且质量也能够得到很好保证。在整个操作过程中，“系统”首先会进行碳纤维预浸带的铺放，当铺放到合理厚度时（即光纤植入需要的厚度），绕在光纤缠绕卷中的光纤便会借助两个输圆柱形送辊相互反方向运转时所产生的摩擦力作用下完成向前运动操作，然后在铺放压辊的压紧力作用下，以及红外灯的加热作用下，被植入到预定位置。

在光纤被传输的过程中，“张力”大小是个很重要的因素，从张力调节控制装置构成与内部结构上看，传感器在里面发挥了很大的作用，张力控制器将张力传感器采集到的信号转换为控制信号，从而调节光纤缠绕卷输送电机相应的转速而达到张力控制的目的。但需要注意的是，光纤在实际传送过程中很容易会因曲率弯曲较大而出现破损，为了解决这个问题，我们还是需要从张力调节控制装置构成与内部结构设计上去寻找办法，当前较为有效的一种处理方法是，增加张力传感器与其两侧导向轮之间的距离，这样会使光纤得到较大的平滑过渡，增大光纤的弯曲半径。

二、实验过程与分析

1. 输送压辊材料与输送压紧力对光纤植入效果的影响

本次实验选用了实际生产制造经常使用碳钢、聚氨酯和硅橡胶三种材料，对输送辊和不同的输送压紧力间的关系进行了研究。依照生产厂家所提供的光纤参数标准，光纤筛选拉应力为200 kbf/in(1 bf/in =6894.757 Pa)，根据光纤实际直径，我们通过计算确定了光纤所能承受的最大拉力临界值为22.8 N，同时结合实际生产制造经验，将张力控制在筛选张力的10 %左右。实验中，采用张力调节控制系统将f，即光纤的输送张力，控制在2N左右。光纤靠两输送辊提供的滚动摩擦力向前输送，而滚动摩擦力的大小与输送辊材料的硬度有关，材料硬度越大，材料变形越小，滚动摩擦力越小。通过实验，我们分别测得了碳钢、聚氨酯和硅橡胶三种材料输送辊的最小压紧力分别为30N，20N，15 N，前提必须满足光纤输送张力要求。结合显示数据与图片我们可以看到（见图1），应用碳钢材料对光纤进行传送，其涂层表面会产生非常明显的压痕，在这种情况下，光纤是很容易在传送过程中被压断的，事实上，很多时候光纤的确会被压断。而应用硅橡胶和聚氨酯这两种材料对光纤进行传送，就不会观察到明显压痕，根据经验，它们并不容易使光纤出现断裂。但若想得到确切结果，我们还需要对这两种材料的应用做进一步分析，本次实验采用加热的浓硫酸将经过输送后的光纤涂覆层溶解掉，并用使用丙酮对其进行了3次清洗，待干燥后，用扫描电镜对光纤的内部包层进行了详细观察（见图2）。从图2中我们可以很明显的看到：经过采用聚氨酯和硅橡胶两种材料对光纤进行传送，光纤的包层均未出现裂纹和损伤，结合材料输送辊的最小压紧力测量结果（输送压紧力15N），硅橡胶被认为是最适合对光纤进行传送的材料，因为它的弹性模量最小。

图1：光纤涂覆层表面SEM照片

图2：光纤包层表面SEM照片

2. 铺放压紧力与加热温度对光纤植入的影响

光纤在经过了输送辊的传送后，在铺放辊的压紧作用下与红外灯的加热作用下，将进入到下个操作环节的相应位置。铺放辊的压紧操作中，所采用的铺放辊是具有较小弹性模量的硅橡胶材质柔性压辊，而红外灯加热的作用主要是通过加热预浸增加光纤的表面粘性，整个操作的核心意义在于，通过加大铺放压紧力和增加光纤表面树脂粘性来让光纤的稳固性得到增强，从而确保植入光纤的位置足够精确。

除此之外，本次实验也研究了影响光纤平行于碳纤维方向植入效果的因素，即光栅传感特性，因为光纤在垂直于碳纤维方向被植入时，由于热压罐固化所产生的不均匀残余应力会使光栅的反射谱出现一定程度的劣化。通过实验我们发现，当压紧力和加热温度均较低的情况下，光纤的粘附效果表现极差较差；相反，当压紧力和加热温度均有所提升时，光纤的粘附效果会随提升程度的变高而变好，这是因为较大的铺放压紧力可以将光纤挤压至碳纤维中间。

结束语：

当前很多国家的航空航天制造与能源装备制造都会使用到复合材料，原因是复合材料具有高比强度、高比模量，以及良好抗疲劳性等特征。但使用复合材料来完成构件设计与生产，所耗费的资金也是非常大的，即便是维护成本也是非常之高，在这种情况下，在构件正常使用期间，及时的、定期的对构件应用情况进行了解，有助于发现其内部产生缺陷，对尽早采用合理措施去解决问题是非常有帮助的，这在很大呈上能够有效降低构件的维护与维修成本，同时也保证了应用安全。当前大家普遍采用的一种构件实时监测手段是传感器监测，在众多类型传感器中，光纤传感器具有质量轻、耐腐蚀、不受电磁干扰、对复合材料结构完整性影响较小等优点，易于植入到复合材料内部，实现工程化应用，因此，光纤智能复合材料的研究受到越来越多的关注。

参考文献：

[1]李金键,段玉岗,高侃,王奔,曹瑞军.光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究[J].传感器与微系统,2015,34(09):20-23.

[2]刘荣梅. 基于界面分析的光纤智能复合材料结构强度性能研究[D].南京航空航天大学,2010.

[3]唐见茂.光纤智能复合材料[J].材料工程,1996(06):45-46.