导读
玻璃纤维增强聚合物(Glass-Fibre Reinforced Polymer，GFRP)凭借材质轻、强度高、耐腐蚀等优点，在高端装备制造领域有着广泛的应用。由于GFRP各组分的热膨胀系数不同，因此其固化成型过程中会产生残余应力。绝大部分残余应力会削弱GFRP的性能和寿命。因此寻求一种能够准确表征和评价GFRP残余应力的方法，对GFRP的性能评估与使用寿命监测具有非常重要的工程意义。
2024年10月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在《Optical Materials》发表了题为“Measurement of stress optical coefficients for GFRP based on terahertz time-domain spectroscopy”的论文。该论文基于FBG传感技术获得不同固化温度下GFRP的残余应力，结合不同残余应力状态下GFRP的太赫兹时域光谱，通过应力光性原理标定GFRP的应力光性系数，从而揭示GFRP的太赫兹时域光谱与残余应力的关系。实验室2022级硕士研究生林辉圣为本论文的第一作者，实验室主任钟舜聪教授和研究所黄异老师是本文的共同通讯作者。
内容简介
本文使用太赫兹时域光谱技术研究GFRP的残余应力。通过在GFRP制备过程中改变固化温度的方式进而调控GFRP的残余应力，并分别使用光纤光栅解调仪和全光纤传输太赫兹时域光谱仪分别测量GFRP固化过程的残余应力和GFRP的太赫兹时域光谱。
Fig. 1. Schematic of FBG residual strain measurement in GFRP.
Fig. 2. Schematic of an all-fiber transmission terahertz time-domain spectrometer.
论文所提出的方法对不同固化温度下的GFRP的太赫兹时域光谱进行采集。从图中可以发现，不同固化温度下GFRP的太赫兹时域光谱产生偏移现象，其原因在于GFRP固化温度的增大会引起残余应力的增大，而GFRP的折射率会随着残余应力的变化而变化。
Fig. 3. Terahertz time-domain spectra of GFRP. (a) The polarization direction of terahertz waveparallel to the fibers.(b) The polarization direction of terahertz waveperpendicular to the fibers.
对光谱信号进行傅里叶变换可得到GFRP的折射率。实验结果表明，GFRP的残余应力、折射率与固化温度均呈现出良好的线性关系。
Fig. 4. Relation between GFRP residual stressand curing temperature. (a)sx.(b)sy.
Fig. 5. Relation between GFRP refractive indexand curing temperature. (a)nx.(b)ny.
为了进一步揭示残余应力与折射率的内在联系，通过GFRP的残余应力和折射率测量结果进行多元线性回归，获得GFRP的应力光性系数。
总结
本文通过在GFRP制备过程中改变固化温度的方式进而调控GFRP的残余应力，结合透射式THz-TDS测量GFRP的应力光学系数。实验现象说明：GFRP的折射率随着残余应力的增大而减小。实验计算得GFRP的应力光性系数q11=-5.612×10-9 Pa-1；应力光性系数q12=-2.548×10-9 Pa-1；应力光性系数q21=-1.305×10-8 Pa-1；应力光性系数q22=-1.408×10-9 Pa-1。本研究标定的GFRP应力光学系数具有重要意义，能够为基于THz-TDS的GFRP残余应力测量方法奠定基础。基于THz-TDS的GFRP残余应力测量方法具有无损非接触、高深度高精度的优点，有望克服GFRP传统应力测量方法的局限性，能够实现GFRP的实时性能评估与使用寿命监测。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.116281
