1、 化学工程与装备 2022 年 第 12 期 14 Chemical Engineering&Equipment 2022 年 12 月 耐高温光纤耐高温光纤 P PI I 涂覆层厚度优化模拟分析涂覆层厚度优化模拟分析 刘 派1,2，丁克勤2，舒安庆1（1武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205；2中国特种设备检测研究院，北京 100013）摘摘 要要：伴随光纤传感器不断发展，其应用范围逐渐步入高温领域，由于聚酰亚胺具有良好的耐高低温性能，利用热固化和光固化加工工艺对光纤进行涂覆成为提高光纤耐高温性能的主要方式。本文研究涂覆层PI 厚度对光纤高温性能的影响，构建耐高温光纤模型及 M
2、esh 网格划分，利用有限元软件 ANSYS WORKBENCH模拟分析光纤光栅在不同 PI 厚度下的等效热应力，根据 200400稳态环境下光纤光栅轴向热应力分析结果，本文所选用的聚酰亚胺材料参数匹配最佳厚度为 18m，为加工聚酰亚胺光纤涂层厚度选择提供了依据。关键词：关键词：光纤光栅；耐高温；聚酰亚胺；厚度；热应力 引引 言言 FBG 传感器由于具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、灵敏度高等优势，逐渐成为结构健康检测的理想元器件0，适合用于恶劣环境下的温度、湿度、应变、压力、振动等多种物理量的实时测量。由于裸光纤本身灵敏度较低，且易脆断，在测量过程中光易发生散射，因此为提高光纤光栅的机械强度、
3、耐高温性能以及减少光的散射，大多采用光固化0和热固化0的加工工艺对光纤进行涂覆，以提高 FBG 的高温传感特性，起到良好的导热和保护作用。此外，田源等人筛选出将聚酰亚胺和乙烯-四氟乙烯共聚物制作成光纤传感器的涂覆层和护套材料，随后分析了绕组导线产生轴向应变和弯曲应变时 FBG 的传感机理，其分析结果表示，恰当的减小护套厚度，有利于提高测量精度以及应变传递效率。PI 涂覆层太薄在高温下易过早的碳化和石墨化，涂覆层太厚会增加固化时间，过厚过薄都会影响光纤光栅传感器测量的可重复性及线性，为使光纤传感器能在各种恶劣环境下进行精准测量，表现出良好的耐高温性能，确定 PI 厚度以及减少热应力对光纤光栅的影
4、响成为本文研究的主要内容。涂覆层厚度对光纤本身在高温下的热应力和高温传感特性分析较为少见，Jang W 和 Abadias G 等人针对聚酰亚胺薄膜在高温加工工艺下在二者交界面会产生热应力，会出现剥离、翘曲以及几何形变的分析。本文将具有一定厚度的聚酰亚胺涂覆在裸光纤光栅表面，分析在 400以下的 FBG热应力大小及不同 PI 厚度对光纤光栅热应力的影响。1 1 涂覆层厚度对光纤轴向热应变的影响分析涂覆层厚度对光纤轴向热应变的影响分析 耐高温光纤的涂覆层以聚酰亚胺（PI）为主，但经过光固化和热固化加工出的聚酰亚胺涂层厚度参差不齐，为探究合适的涂覆层厚度，本文选用直径为 125m 的裸光纤，聚酰亚
5、胺涂层厚度以 1m 为单位，范围为 550m，各材料物性参数见表 1。分析将光纤置于 200、250、300、350、400稳态环境下进行热力学耦合分析，观察光纤光栅轴向热应力的变化。仿真过程利用 ANSYS 有限元软件，包括前处理、加载计算、后处理三个步骤。仿真结果经过后处理，图 1 为裸光纤和 PI 涂层的 Mesh 网格划分、图 2 为 PI 涂层径向方向的形变示意图。表表 1 1 材料物性参数材料物性参数 密度 g/cm3 线膨胀系数/杨氏模量 GPa 泊松比 热传导率 W/mk 长度（mm）Si 2.20 5.510-7 72 0.17 1.40 4 PI 1.38 3.010-5
6、3 0.34 0.254 4 图图 1 1 裸光纤光栅和裸光纤光栅和 PIPI 涂覆层的网格划分涂覆层的网格划分 图图 2 2 高温下高温下 PIPI 涂层径向（左）和轴向（右）形变示意图涂层径向（左）和轴向（右）形变示意图 DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.020 刘 派：耐高温光纤 PI 涂覆层厚度优化模拟分析 15 由形变效果可知，聚酰亚胺涂层和石英材质光纤的线膨胀系数存在差异，热膨胀致使分子间作用力增大，迫使整个聚酰亚胺涂层产生向外的张力，对包裹在内部的光纤产生径向载荷拉伸的效果。而聚酰亚胺涂层在不同环境温度下对裸光纤所产生的热应力也有着较大的变化，接下来
7、将进一步分析高温稳态环境下不同聚酰亚胺涂层厚度对光纤光栅在轴向方向上产生的应变影响，其结果见图 3。图图 3 PI3 PI 厚度对光纤光栅轴向应变的影响厚度对光纤光栅轴向应变的影响 2 2 结结 论论 伴随稳态温度的增加，聚酰亚胺涂覆层厚度越大，PI光纤光栅的热稳定性越差，轴向热应变会出现较大的波动，这是由于聚酰亚胺和光纤光栅二者的热膨胀系数不匹配，使得经过高温加工工艺后在二者的交界面存在明显的热应力。长期的热应力作用会导致材料发生蠕变，进而影响光纤光栅传感器的测量结果。经分析可知，当温度固定不变，聚酰亚胺涂覆层厚度在17m 之前有着相对良好的线性关系，但在 532m 之间，18m 左右的聚酰
8、亚胺厚度对光纤光栅轴向热应变呈现出凹陷的最低点，即产生的轴向等效热应力最小。当涂层厚度不变，随着温度的增加光纤光栅产生的轴向应变的变化量也显示出递增的趋势，接近 18m 以后轴向应变的变化量有较大的波动，呈现不稳定趋势。因此在对光纤涂覆聚酰亚胺时，其厚度不易过厚，在保证具有一定厚度的前提下，将聚酰亚胺在高温下对光纤光栅所产生的热应力的影响降到最低，不仅能增加光纤的机械强度，同时能降低光学散射特性，呈现一种漫反射、弱镜反现象。参考文献参考文献 1 Kinet D,Goossen K W,Qiu L,et al.Fiber Bragg Grating Sensors toward Structur
9、al Health Monitoring in Composite Materials:Challenges and SolutionsJ.Sensors(Basel,Switzerland),2014,14(4):7394-7419.2 I Garca.Optical Fiber Sensors for Aircraft Structural Health MonitoringJ.Sensors,2015,15(7):15494-15519.3 Majumder M,Gangopadhyay T K,Chakraborty A K,et al.Fibre Bragg gratings in
10、structural health monitoringPresent status and applicationsJ.Sensors&Actuators A Physical,2008,147(1):150-164.4 Diamanti K,Soutis C.Structural health monitoring techniques for aircraft composite structuresJ.Progress in Aerospace ences,2010,46(8):342-352.5 陈小刚,游仁国,雷木生,等.光固化聚酰亚胺涂层的研究进展J.绝缘材料,2015,48(12):12-16.6 曹蓓蓓,韩庆荣,罗杰,等.一种耐高温光纤及其制造方法:中国,CN101726792AP.2010-06-09.7 夏梓旭.基于分布式光纤的层合板脱粘和裂纹识别研究D.大连理工大学,2021.