使用一個(gè)光導(dǎo)纖維光柵傳感器的復(fù)合結(jié)構(gòu)樹脂固化的監(jiān)控制造技術(shù)

一種復(fù)合結(jié)構(gòu)樹脂固化的監(jiān)控器件，包括： 一根其中埋置了一個(gè)光柵傳感器的光學(xué)纖維以及鄰近所述傳感器設(shè)置的緩沖裝置，用來使所述傳感器探測(cè)出最小樹脂粘度和該樹脂的凝膠點(diǎn)，并使所述傳感器隔絕來自該復(fù)合結(jié)構(gòu)其他部分的干擾應(yīng)力的緩沖裝置。（*該技術(shù)在2016年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及固化過程的監(jiān)控且更具體地涉及使用光學(xué)纖維光柵以完成這種控制。
技術(shù)介紹
已知在復(fù)合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)可以通過包括壓模和樹脂轉(zhuǎn)移模塑的常規(guī)技術(shù)來成形。對(duì)于壓模，由使用環(huán)氧樹脂浸漬的石墨細(xì)絲組成的層被堆疊成預(yù)定厚度，使每個(gè)這樣的層具有一個(gè)預(yù)定的纖維取向。所得的被堆疊成的預(yù)制結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)“疊層”。該疊層被放入一個(gè)具有內(nèi)置預(yù)成形模具的熱壓機(jī)中，并在經(jīng)過一個(gè)預(yù)定溫度及壓力隨時(shí)間分布的過程中將這些層壓在一起并且壓實(shí)。該分布通常包括在向疊層施加壓力的同時(shí)升高溫度直至樹脂開始固化(或硬化)。在該部件達(dá)到完全固化的溫度和時(shí)間后將其冷卻。作為已知的樹脂轉(zhuǎn)移模塑的一個(gè)類型，細(xì)絲被編織在一起以形成一種具有所需的細(xì)絲疊層取向的“預(yù)制件”結(jié)構(gòu)，并將預(yù)制件放進(jìn)一個(gè)模具中。然后熱樹脂被注射到模具中并在細(xì)絲間流動(dòng)以達(dá)到貫穿該結(jié)構(gòu)的均勻樹脂浸潤(rùn)。下一步使用一個(gè)適合的溫度及壓力的分布過程加熱該模具以固化樹脂，然后將其冷卻。在生產(chǎn)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的工藝中遇到的一個(gè)問題是結(jié)構(gòu)可能具有一個(gè)變化的厚度但是整個(gè)結(jié)構(gòu)卻受一個(gè)相同溫度分布的固化過程的作用。對(duì)于復(fù)雜的幾何部件，較薄區(qū)域可能在較厚區(qū)域之前固化(硬化)。在這種情形下，可產(chǎn)生不均勻的內(nèi)部殘留應(yīng)力，可能損害部件的結(jié)構(gòu)完整性。還有，在較厚區(qū)域中，外層可能在中間層固化之前固化。那么如果中間層放出氣體(即在固化過程中釋放出氣體)，氣泡容易滲透過未固化的層并被截留在已固化的外層之下。這些被截留的氣泡可能在疊層結(jié)構(gòu)中氣泡聚集的區(qū)域上產(chǎn)生弱點(diǎn)，由此減弱了該結(jié)構(gòu)并可能導(dǎo)致過早脫層。當(dāng)沒有設(shè)計(jì)出溫度分布圖以致薄區(qū)域和厚區(qū)域兩者都不均勻地固化時(shí)這些問題就發(fā)生了。然而，如果在固化過程中能夠監(jiān)控在復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的貫穿厚度的溫度分布以及樹脂粘度，那么溫度分布可相應(yīng)地變化以便讓復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄的和厚的部分兩者都更加均勻地固化，由此得到貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)的更均勻固化。因此，為了優(yōu)化復(fù)雜部件的復(fù)合材料固化過程，需要傳感器以測(cè)量在壓實(shí)過程中材料的變化。通常用于測(cè)定固化過程信息的兩種現(xiàn)有技術(shù)方法是超聲測(cè)量和流變學(xué)測(cè)量。已知的超聲測(cè)量裝置包括一個(gè)被安裝在結(jié)構(gòu)一側(cè)的超聲波振子，用來產(chǎn)生貫穿結(jié)構(gòu)厚度的聲波，以及一個(gè)位于結(jié)構(gòu)另一側(cè)的超聲波接受器，用來接受這些聲波。貫穿結(jié)構(gòu)的聲波速度與傳播波的結(jié)構(gòu)內(nèi)部樹脂的粘度直接相關(guān)。當(dāng)聲速顯著提高時(shí)，已經(jīng)發(fā)生了快速交聯(lián)(或硬化或凝膠化)。然而，這種技術(shù)只是測(cè)量聲波發(fā)送器和接受器所跨體積內(nèi)的平均粘度，并因此不能提供一個(gè)貫穿結(jié)構(gòu)厚度的分布測(cè)量。已知技術(shù)中的另一方法是流變測(cè)量。在那種情況下，通過施加扭力以測(cè)定作為溫度函數(shù)的粘度特征來分析將要固化的部分材料。然而這種方法是脫機(jī)地，而不是在結(jié)構(gòu)的固化過程中進(jìn)行的并因此不是一個(gè)實(shí)時(shí)的測(cè)量方法。還有，在脫機(jī)表征與材料的實(shí)際固化之間的時(shí)間間隔可能在被表征的材料與正在固化的材料之間產(chǎn)生遲滯的差異(aging differences)。本專利技術(shù)的描述本專利技術(shù)的目的包括提供復(fù)合結(jié)構(gòu)樹脂固化的監(jiān)控以優(yōu)化固化的時(shí)間、溫度、壓力和化學(xué)變化。按照本專利技術(shù)，復(fù)合結(jié)構(gòu)樹脂固化的監(jiān)控裝置包括一根具有一個(gè)被埋置其中的光柵傳感器的光學(xué)纖維；以及鄰近傳感器排列的緩沖裝置，用來使傳感器探測(cè)出最小樹脂粘度和樹脂凝膠點(diǎn)并使傳感器隔絕來自復(fù)合結(jié)構(gòu)其他部分的干擾應(yīng)力。進(jìn)一步按照本專利技術(shù)，緩沖裝置包括預(yù)定數(shù)目的層，每一個(gè)層包含基本上相互完全平行取向的增強(qiáng)緩沖細(xì)絲。更進(jìn)一步按照本專利技術(shù)，增強(qiáng)緩沖細(xì)絲與光學(xué)纖維的經(jīng)線軸基本上垂直取向。由于發(fā)現(xiàn)纖維光柵傳感器可按如此方式埋置在結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部以致當(dāng)樹脂達(dá)到最小粘度以及當(dāng)發(fā)生快速樹脂交聯(lián)(或凝膠化或硬化)時(shí)能夠進(jìn)行測(cè)量，以及更具體地發(fā)現(xiàn)纖維傳感器必須被最小厚度的緩沖區(qū)所包圍使得光柵傳感器能夠?qū)ψ钚渲扯群蜆渲z點(diǎn)(即快速交聯(lián)速率的開始)表現(xiàn)出最高的靈敏度，還同時(shí)使傳感器隔絕來自緩沖區(qū)以外區(qū)域任意角度細(xì)絲的干擾應(yīng)力，本專利技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)有明顯改進(jìn)。測(cè)量最小樹脂粘度和凝膠點(diǎn)是重要的，因?yàn)闉榱耸┘訅毫κ箻渲鶆虻貒@增強(qiáng)細(xì)絲，人們必須知道何時(shí)樹脂粘度最低。還有，人們必須在發(fā)生這種凝膠之前施加這種壓力。更進(jìn)一步，光學(xué)纖維光柵傳感器具有許多使它們特別適合復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的固化過程監(jiān)控的特點(diǎn)。例如，它們具有小的直徑(外徑小于150微米)，它們具有小的標(biāo)距(準(zhǔn)點(diǎn)式(guasi-point)傳感器)，它們對(duì)高溫(大于400℃)穩(wěn)定，它們與環(huán)氧樹脂粘結(jié)很好，它們可以倍增以得到沿著單一纖維分布而使用單一的輸入/輸出接點(diǎn)的許多傳感器，以及它們足夠結(jié)實(shí)和耐久(即良好的斷裂伸長(zhǎng)率以及抗拉強(qiáng)度)，使其具有超過大多數(shù)復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用所要求的疲勞壽命和測(cè)試范圍。更進(jìn)一步，纖維光柵傳感器可在組合未壓實(shí)疊層時(shí)方便地安裝在復(fù)合部件內(nèi)。傳感器可以以這種方式排列在結(jié)構(gòu)內(nèi)的許多位置上來進(jìn)行分布測(cè)量。按照以下如在附圖中描述的典型實(shí)施方案的詳細(xì)描述，本專利技術(shù)上述的及其他的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。附圖的簡(jiǎn)要說明附圖說明圖1為顯示按照本專利技術(shù)包圍一個(gè)纖維布拉格光柵傳感器的多個(gè)層的復(fù)合結(jié)構(gòu)透視圖。圖2為圖1復(fù)合結(jié)構(gòu)的單個(gè)層的側(cè)視圖顯示按照本專利技術(shù)增強(qiáng)細(xì)絲。圖3為按照本專利技術(shù)對(duì)于一個(gè)偏離相鄰增強(qiáng)細(xì)絲方向90°取向的布拉格光柵傳感器的溫度及傳感器反射波長(zhǎng)相對(duì)時(shí)間的圖。圖4為按照本專利技術(shù)圖3傳感器反射波長(zhǎng)的放大圖。圖5為證實(shí)按照本專利技術(shù)圖3結(jié)果的流變粘度相對(duì)時(shí)間的圖。圖6為證實(shí)按照本專利技術(shù)圖3結(jié)果的聲速相對(duì)時(shí)間的圖。圖7為按照本專利技術(shù)對(duì)于一個(gè)與相鄰增強(qiáng)細(xì)絲取向相同的布拉格光柵傳感器的波長(zhǎng)及溫度相對(duì)時(shí)間的圖。圖8為按照本專利技術(shù)對(duì)于包圍傳感器的不同厚度的緩沖區(qū)的傳感器反射波長(zhǎng)的變化相對(duì)時(shí)間的一組曲線。實(shí)施本專利技術(shù)的最佳方式參照?qǐng)D1，一個(gè)用于監(jiān)控復(fù)合結(jié)構(gòu)樹脂固化的被埋置的光學(xué)纖維傳感器包括多個(gè)區(qū)域10，12，14，16(下文中討論)以及一根被埋置在區(qū)域12與14之間的光學(xué)纖維。纖維20包括具有一個(gè)摻雜鋅基的石英芯(germanai adoped silica core)的典型通訊用單個(gè)空間型纖維，位于總外徑(芯和包覆層)為大約125微米的包覆層內(nèi)的直徑為大約6微米。如果需要，可以使用其他的纖維組成，尺寸及模式。還有，如果需要，可以使用有或沒有外殼或緩沖層的纖維。纖維20的芯具有至少一個(gè)壓在其中的反射元件28，如布拉格光柵，與都授權(quán)給Meltz等的稱為“分布的，空間分辨的光學(xué)纖維應(yīng)變儀”的美國(guó)專利№4806012以及稱為“分布的，空間分辨的光學(xué)纖維應(yīng)變儀”的美國(guó)專利№4761037中所討論的相似。纖維20內(nèi)的光柵28也被稱之為纖維光柵“傳感器”。該光柵傳感器28的長(zhǎng)度(或標(biāo)距)為大約1至10mm，使其幾乎為一個(gè)點(diǎn)型(point-type)傳感器(即準(zhǔn)點(diǎn)式傳感器)。如果需要可以使用其他的長(zhǎng)度。區(qū)域10-16中的每個(gè)包括多個(gè)層30(用在壓模過程中)。層30中的每一個(gè)層包括以預(yù)定方向被埋置在層30中的由石墨制成的圓柱形增強(qiáng)細(xì)絲32。層30中給定一層內(nèi)的細(xì)絲32基本上相互平行。在細(xì)絲32之間和周圍是一種已知的聚合物基質(zhì)34，如工業(yè)中已知的熱固性環(huán)氧樹脂。如果需要，其他材料可以用作細(xì)絲32，而且其他熱固性聚合物基質(zhì)材料可以用于其之間的區(qū)域34。例如細(xì)絲32可由玻璃、尼龍、織物、KEVLAR(聚合物細(xì)絲)或其他材料制成。還有，層30中的一層或多層可本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：詹姆斯·R·鄧菲，羅伯特·M·魯庫(kù)斯，河宗旻，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：聯(lián)合技術(shù)公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：