基于悬臂微光纤布拉格光栅的声-超声方法监测CFRP加筋板二次胶接固化度

《Composites Communications》：Secondary bonding monitoring of CFRP stiffened panel using CMFBG-based acousto-ultrasonic method

本文推荐了一种基于悬臂微光纤布拉格光栅（CMFBG）的高灵敏度声-超声（AU）方法，用于实现碳纤维增强聚合物（CFRP）加筋板二次胶接过程中环氧胶膜固化度（DoC）的原位监测。该方法通过飞行时间（ToF）变化有效反映由固化度演变引起的力学性能改变，为航空复合材料结构制造质量控制提供了创新解决方案。

　　

¹研究亮点²

³传感原理⁴

图1展示了CMFBG的结构。该传感器由直径125μm的尾纤、逐渐变细的锥区以及直径32μm的腰区组成。在腰区位置，通过单模光纤纤芯引入周期性折射率调制制作成光纤布拉格光栅（FBG），能够反射特定中心波长的光信号。该FBG反射谱的中心波长会随应变或温度变化发生偏移。

⁵实验设置⁶

CFRP采用碳纤维（Toray T700SC-12000）和环氧树脂基体（SHD Composites MTC811）制成的单向预浸料制备。铺层顺序为[0/+45/-45/90]_s，并按照标准工艺曲线固化。将固化后的CFRP加工成筋条和蒙皮，蒙皮尺寸为200×100×1.5（长×宽×高）毫米，筋条尺寸为100×25×1.5毫米。

图4(a)展示了固化监测实验的结构布局...

⁷参数设置⁸

如图8(a)所示，在LS-DYNA软件中建立了复合材料加筋板的有限元模型。模型尺寸与实验一致，所有单元均采用六面体实体单元，尺寸小于超声波波长的1/10，满足有限元分析精度要求（图8(b)）。单元尺寸为0.3毫米...

⁹DSC和DMA测试¹⁰

采用差示扫描量热法（DSC）测试环氧胶膜的固化度，温度曲线与固化监测实验保持一致。使用DSC仪器（NETZSCH STA 449F5）在氮气氛围（流速20ml/min）下分析5.8mg未固化环氧胶样品。固化度通过固化反应过程中累积放热量与总热量的比值计算。图13(a)展示了DSC测得的固化度曲线，显示固化在80分钟左右开始，在120分钟时完成...

¹¹结论¹²

环氧胶膜的固化度（DoC）直接决定复合材料加筋板的粘结强度，因此需要进行原位监测。然而，复合材料的高超声衰减特性与筋条的复杂几何形状使得传统超声监测面临信号幅度低和波传播行为不明确的挑战。本研究提出了一种基于高灵敏度CMFBG的声-超声（AU）方法，成功实现了复合材料加筋板中环氧胶膜固化度的有效监测。