碳纤维复合材料封装光纤Bragg光栅

田高洁 ，李 川 ， 由 静 ，张 晨

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650051；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、耐疲劳性能和尺寸稳定性好等一系列优点，近几年已广泛应用于土木工程结构中，起加固的作用。

光纤传感器有许多突出的优点：灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、电绝缘性好、无火花、耐高温、抗腐蚀、化学性能稳定、测量范围广等等。另外，光纤本身纤柔轻细，光纤传感器体积小、重量轻、几何形状可塑，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设，与待测材料有着良好的相容性，并且可以以网络铺设实现全方位监测，极大提高安全监测的有效性。

结合碳纤维增强复合材料和光纤传感技术的优点，可以制成先进的光纤智能结构／智能蒙皮。在以往的智能结构中采用点式传感器，收集和处理这些数据比较复杂，因此人们致力于分布式光纤传感器的研究。分布式光纤传感器是指用一根光纤敷设于待测场，待测量(如温度、压力等)会对光纤中传输的光进行调制，将有关信息调制在光纤中传输，通过解调即可获知光纤周围任一点的待测量的情况。但待测物有时热胀冷缩较大，有时变形较大，使光纤承受较大作用，所以将碳纤维复合材料与光纤结合，既能起到增强结构的作用，又能随时监测被测物体。

1 碳纤维复合材料的力学特性

碳纤维复合材料是通过氧化有机聚合物（通常是聚丙烯硝胺纤维或乳化沥青），只留下碳素材料，其碳原子沿原有纤维长度排列整齐而形成碳素纤维。每根碳纤维丝由3 000～12 000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于人的1根头发丝。

碳纤维成品可以制成不同的型材，如纤维布、纤维板、棒材、短纤维等，根据不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中，应用量最大和最普通的还是碳纤维布（片材）。

图1 碳纤维复合材料微结构受力Fig.1 Microstructural force analysis of CFRP

图1为碳纤维复合材料微结构受力分布图。δ1，δ2，δ3分别代表三个垂直方向上的正应力，τ12表示在垂直δ1面上与方向2同向的剪力，τ13，τ23以相同的方式被定义。另外，ε1表示δ1作用在方向1上产生的应变，同理定义 ε2，ε3。 γ12为剪力 τ12在 1-2平面上引起的角应变。

根据虎克定律可得：

其中 E1，E2，E3，G23，G13，G12为弹性模量和剪切模量，其值由厂家提供。然而在纤维方向上的杨氏模量E1是在方向2和方向3的杨氏模量E2，E3的十多倍。可见1方向上的不易变形程度远大于2，3方向，即纤维方向上的加固特性更为优越。

对于平面应力问题，这时有：

可得：

由式（3）可通过应力计算出相应碳纤维各个方向上的应变大小。

2 碳纤维复合材料封装光纤Bragg光栅

利用碳纤维复合材料封装光纤Bragg光栅是一种集结构保护和结构监测于一体的传感结构，该结构通过检测光的波长变化来测量碳纤维复合材料所受应力的变化。其封装结构如图2所示。

图2 碳纤维材料封装Bragg光栅结构图Fig.2 Structure of the fiber Bragg grating packaged by CFRP

光纤Bragg光栅沿碳纤维方向粘贴于碳纤维复合材料的中心位置，并用裁剪好的顶层碳纤维复合材料将光纤Bragg光栅完全覆盖进行保护封装，粘贴时顶层碳纤维复合材料的纤维方向保持与碳纤维方向一致。其中，光纤Bragg光栅直径为125 mm，在裸纤外表面涂覆一层均匀的保护材料构成直径为250 mm的一次涂覆光纤，在涂覆光纤的外部再紧紧包裹一层橡胶护套即为紧套光纤，三者之间紧密相连不能移动。然后将紧套光纤从橡胶导管制成的护套中穿出，在将整个结构粘贴于碳纤维材料时，利用环氧树脂填充因光纤、紧套光纤和护套等结构外径不一所带来的空隙，并且向护套中灌注胶体，减小与紧套光纤的可移动性，达到更为有效地保护光纤的目的。当碳纤维复合材料因应力发生形变时，粘贴在其上的光纤Bragg光栅随之产生应变响应。此方案既能加固被测结构体，又能监测结构体的应力变化，形成了集加固与监测功能于一体的智能结构。

3 光纤Bragg光栅埋入碳纤维复合材料中的界面传递特性分析

应变对光纤光栅波长的影响分为轴向和横向。光纤Bragg光栅在受到拉升或压缩时，其轴向和横向同时有应变产生。由于光纤光栅对纵向应力较横向应力更为敏感，而且在轴向应力δ1的作用下，ε1／ε2=1／-v12=-62.5，所以在计算时可以忽略垂直于轴向的应变ε2对光纤光栅波长位移产生的影响。均匀轴向应变引起的波长移位纵向应变灵敏度公式为：

其中pe为有效弹-光系数，ε1为轴向应变量。

当碳纤维复合材料仅在轴向应力δ1的作用下，碳纤维复合材料应变响应由式（3）简化为：

光纤Bragg光栅的波长位移-应力关系为：

由此可以得出，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与外加纵向应力的传感灵敏度为6.68 pm／MPa。光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1 pm时，传感器的理论分辨率为0.2 MPa。

4 结 语

（1）在使用碳纤维复合材料的同时埋入光纤，既可以起到加固的作用，又可以进行测量，减小对其结构的破坏。

（2）光纤Bragg光栅传感器直埋CFRP的聚合物基体中，由于不存在粘贴层的界面的影响，应变测量值无需修正。CFRP层的性能越稳定、界面粘接效果越好，光纤Bragg光栅传感器的对应变的监测越稳定，误差越小。

（3）光纤Bragg光栅传感器的相对波长与应变具有很好的线性关系，通过监测相对波长的变化，可以准确地表征结构的应变，可实现对结构的应力应变在线监测。

[1]M.W.Hyer.Stress Analysis of Fiber-Reinforced Composite Materials[M].McGraw-Hill Companies,1998.

[2]李川，张以谟，赵永贵，等.光纤光栅：原理、技术与传感应用[M].北京：科学出版社，2005.

[3]A-ping ZHANG,Xiao-ming TAO,Hwa-Yaw Tam.Effects of Microstructures of Smart Fiber Composites on Embedded Fiber Bragg Grating Sensors[J].Reinforced Plastics and Composites,2003,14(22):1319～1329.

[4]S.Takeda,Y.Okabe and N.Takeda.Monitoring of Delamination Growth in CFRP Laminates using Chirped FBG Sensors[J].Intelligent Material Systems and Structures， 2008,19:437～444.

[5]苏翼林，王燕群，赵志岗，等.材料力学[M].天津大学出版社，2001：322～331.

[6]KERSEY A D，DAVIS M A，Patrick H J，et al.Fiber grating sensor[J].Light waveTechnology，1997，15(8)：1442～1463.

[7]Eric Udd.Overview of optical fiber smart structure for aerospace application[J].SPIE，1988，986：2～5.

[8]卢少微,谢怀勤,陈平.埋入光纤布拉格光栅传感器的智能碳纤维复合塑料[J].吉林大学学报(工学版)，2008，38（06）：1300～1304.