固化胶粘剂对光纤环温度性能的影响研究

赵晓东，张智华，杜 江

（北京航天时代光电科技有限公司，北京100094）

固化胶粘剂对光纤环温度性能的影响研究

赵晓东，张智华，杜 江

（北京航天时代光电科技有限公司，北京100094）

光纤环是光纤陀螺的核心部件，其温度性能直接影响光纤陀螺的精度。胶粘剂作为光纤环的重要组成成分，其选用是否得当决定了光纤环性能的优劣。首先理论分析了胶粘剂的性能对光纤环性能的影响，并选取了三种具有不同性能的胶粘剂作为光纤环用胶粘剂，对比分析了不同种类胶粘剂对光纤环温度性能的影响。结果表明选择具有模量适中、较低固化收缩率和足够粘接强度的胶粘剂，得到的光纤环具有更好的温度性能。

光纤环；胶粘剂；光纤陀螺；温度性能

0　引言

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度光纤传感器，主要由光路和电路两部分组成。光纤环作为光纤陀螺光路部分的核心器件，其温度性能和抗干扰能力直接影响光纤陀螺的性能［1-3］。现阶段提高光纤环的温度稳定性能和抗振动性能是提高光纤陀螺整体精度的重要措施。

为了满足光纤陀螺的振动性能要求，绕制后的光纤环需要施胶固化加以固定。固化胶虽然可以有效地固定光纤线圈，若选用的固化胶性能不合适，不但固化效果不理想，还会影响光纤环的温度性能，甚至还会造成光纤环断纤［4-6］。本文通过选用具有不同类别和性能的几种高分子胶粘剂作为光纤环固化胶，研究固化胶的性能对光纤环性能的影响，为光纤环制造用胶粘剂选型提供参考依据。

1　理论分析

当光纤之间的空气被胶粘剂取代后，会给光纤带来新的应力。胶粘剂固化时对光纤产生的应力主要包括两种:固化过程因胶粘剂的体积收缩产生的收缩应力和外部环境温度变化产生的热应力，热应力与固化胶的热形变、弹性模量和温度变化成正比。如式（1）所示［7］:

其中，σ收缩为胶粘剂的固化收缩应变，E1为固化胶固化过程中的弹性模量，E2为固化胶固化过程结束后的弹性模量，α为固化胶的热变型量。

在固化过程中，胶粘剂对光纤施加的应力实际可以分为三个阶段:第一阶段，即固化反应的初始阶段，树脂处于黏流态，此时不管是热膨胀还是固化收缩都不会产生内应力；第二阶段，此时固化过程开始不久，胶粘剂处于黏弹态并具有一定的模量，此时对光纤的作用力为热应力和固化收缩应力的共同作用结果；第三阶段，即冷却开始之后，树脂固化过程基本结束，固化收缩不再发生，此时胶粘剂对光纤的应力仅有由于温度下降导致的热收缩应力。图1所示为通过数学建模模拟的方法得到某款热固化型胶粘剂在固化时其中心点的内应力随着固化时间的变化数据，可以看到第三阶段曲线的斜率大于第二阶段的斜率，说明热收缩力对内应力的影响大于固化收缩效应的影响［8］。而热收缩力的大小与胶粘剂本身固化后的弹性模量呈正比，因此弹性模量为胶粘剂固化时对光纤应力大小的主要影响因素。

图1　胶粘剂中心点应力随固化时间的变化曲线Fig.1 Curves of adhesive central point stress versus curing time

由于光纤是一种对应力非常敏感的材料，光纤内部的应力分布会由于外部应力的变化而相应的改变，从而引起光纤折射率的变化，导致光纤中传播光的相位和强度发生改变，使陀螺输出产生非互易相移。式（2）所示为应力变化率对相位漂移的贡献［9］:

其中，∂neff/∂ε为折射率的的应力系数，d（z，t）/dt为应力分布的变化率。从式（2）可以看到，应力分布的变化率越大，距离光纤中点越远，由应力产生的相位差就越大，因此若想要产生的相位漂移越小，则要求胶粘剂固化后对光纤产生的应力应尽可能小。从之前的分析可以看出，为了尽可能降低胶粘剂的存在对光纤产生的应力影响，要求胶粘剂应具有尽可能小的弹性模量和小的固化收缩率。

2　胶粘剂指标对比分析

根据之前的分析可以看出，弹性模量和固化收缩率为胶粘剂对光纤作用力大小的主要影响因素，因此为了研究和验证具有不同弹性模量和固化收缩率的胶粘剂对光纤环性能的影响，我们分别选取了三种具有不同弹性模量和固化收缩率的胶粘剂A、胶粘剂B、胶粘剂C进行了光纤环涂胶固化（绕制）试验。其中，胶粘剂A属于高断裂伸长率、高固化收缩率、低拉伸强度和低弹性模量的硅橡胶类胶粘剂；胶粘剂B属于低断裂伸长率、低固化收缩率、高拉伸强度和高弹性模量环氧类胶粘剂；胶粘剂C则是各项指标都处于中间位置的环氧类胶黏剂。

3　不同胶粘剂对光纤环应力的影响

为了尽可能地排除一切非胶因素的影响，所有试验环使用相同骨架，绕制时采用相同规格的保偏光纤、相同工艺绕制，绕制长度800m。三种胶粘剂绕制的光纤环分别命名为光纤环A、光纤环B、光纤环C。

图2所示为光纤环在使用三种不同胶粘剂涂胶前后的应力测试曲线，可以看到未涂胶时光纤环的应力分布比较均匀。而固化后应力分布曲线的峰峰值明显增大，与固化前相比不同长度上的应力分布变化更加剧烈。其中，涂覆胶粘剂B的光纤环的应力最大，达到了2066，胶粘剂A的最小，只有504.4，胶粘剂C则位于二者之间。同时，可以看出三种胶粘剂绕制的光纤环的应力的分布都呈现 “山峰”状的曲线，通过前面的理论分析可知胶粘剂的固化过程分为三个阶段，而第三个阶段为胶粘剂对光纤应力的主要产生阶段。图3为光纤环固化时的截面示意图，从图3中可以看出当胶粘剂的固化过程进入第三阶段后，由于温度的下降胶粘剂整体会呈现收缩态，以最内侧一层光纤为例，其将受到整个外层胶粘剂的收缩挤压。因此，最内侧光纤受到的挤压力最大，其应力也最大。依次类推越外层光纤受到的收缩挤压力越小，光纤环的应力分布就呈现出了 “山峰”状。

图2　光纤环涂胶前后的应力测试曲线Fig.2 Stress distribution of fiber coil before and after coating adhesive

图3　光纤环截面示意图Fig.3 Cross section diagram of fiber coil

由于胶粘剂A具有高固化收缩率和极低的弹性模量，并且其玻璃化温度很低，固化时的温度远高于其玻璃化温度，在固化后胶粘剂A处于黏弹态，其固化收缩对光纤产生的力很小，而且在固化结束后的热收缩过程中，由于其模量极低，对光纤产生的收缩力也很小。因此，使用胶粘剂A绕制的光纤环产生应力最小。而胶粘剂B和胶粘剂C由于玻璃化温度较高，固化时胶粘剂会经历从黏流态到黏弹态再到固态的转变。在固化过程的第二阶段，二者都处于黏弹态，虽然胶粘剂B的固化收缩率为胶粘剂C的一半，但其模量要高出胶粘剂C很多，因此二者在第二阶段对光纤产生的固化收缩应力相当。第三阶段开始后，由于胶粘剂B的模量要大出胶粘剂C很多，因此胶粘剂B对光纤产生的热收缩应力也最大。因此，涂覆胶粘剂B的光纤环的应力最大，胶粘剂A的最小，胶粘剂C则处于中间位置。

4　光纤环应力随温度变化测试

为了进一步探索温度变化时胶粘剂对光纤环性能的影响，我们对涂覆三种胶粘剂的光纤环的应力在不同温度下的变化进行了研究，将光纤环置于温箱中，两端尾纤从测试孔引出温箱外，一端通过适配器接应力分析仪，另一端空置，温箱设置为定点运行，温度点分别为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃，不同温度点间的温变速率为2℃/min，各温度点在保持1h后检测光纤环中的应力分布，试验数据如图4所示。可以看到三种光纤环的应力峰峰值都呈现出了随着温度的升高而逐渐降低的趋势，光纤环A的应力变化最小，光纤环B的应力变化量最大，光纤环C的应力变化量处于中间位置，环两端光纤的应力随着温度的升高而逐渐升高，“山峰”状的应力曲线逐渐平缓，甚至于消失。从之前的分析可以看出当整个固化过程结束，光纤环冷却至室温后，胶粘剂对光纤的应力主要包括固化收缩力和热收缩应力，当把光纤环进一步冷却至-40℃的过程中，胶粘剂进一步收缩，最内侧的光纤受到胶粘剂更多的收缩挤压力，因此光纤环的整体应力变得更大。当温度逐渐升高后，胶粘剂则开始热膨胀的过程，最外层的光纤受到胶粘剂的膨胀挤压应力越来越大，因此光纤环两端光纤的应力逐渐变大，光纤环的整体应力逐渐变小。

图4　涂覆三种胶粘剂的光纤环应力随温度的变化数据Fig.4 Stress distribution of fiber coil at different temperature

5　光纤环温度性能测试

为了进一步探究胶粘剂对光纤环温度性能的影响。分别对使用三种胶粘剂绕制的光纤环进行温度测试，测试条件为:-40℃～70℃，2℃/min，极限保温1h。

图5所示为三种光纤环温度性能对比。从图5中可以看出，光纤环C的温度性能最好，光纤环A的最差，光纤环B位于中间位置。对于光纤环来说，胶粘剂的力学性能对光纤环的温度性能影响最大，由于温度的变化导致胶粘剂发生热胀冷缩的行为，从而对光纤产生不同大小的应力。结合图4可以看出，当温度变化时，胶粘剂B对光纤的应力变化要远大于胶粘剂A，因此涂覆光纤环A应具有更好的温度性能，然而实际情况却相反。对光纤环A进行仔细观察后发现光纤环一侧出现了开裂。如图6所示，可以明显看出两层光纤之间存在一个明显的缝隙，对其放大后可以看到缝隙的两侧具有明显的互补形状，说明是由于胶粘剂开裂造成的缝隙。由于一侧开裂导致光纤两侧在温度变化时受到的应力不同，从而使得光纤的对称性遭到破坏，光纤环的温度性能变差。分析原因应该是由于胶粘剂A属于硅橡胶类胶粘剂，其粘接强度过低导致在温度变化时发生开裂的现象。胶粘剂C的模量适中，对光纤的产生的热应力变化也相对较小，从而保证了光纤环C的温度性能最优。

图5　三种光纤环温度性能对比Fig.5 Contrast of three fiber coil temperature performance

图6　光纤环A温度性能测试后的光学图片（b为a的放大）Fig.6 Optical images of fiber coil A after temperature test （b is the magnification of a）

6　结论

本文通过选取三种不同类型和不同性能的胶粘剂作为光纤环用胶粘剂，研究了胶粘剂性能对光纤环的性能影响。测试结果表明相比于未涂胶时，采用低模量的硅橡胶类胶粘剂A得到的光纤环具有最低的应力，但由于其粘接强度较低导致光纤环在外界温度环境变化时发生开裂现象，致使光纤环温度性能试验劣化严重。采用模量等性能适中的胶粘剂C得到的光纤环具有较低的应力和最好的温度性能，而采用模量最大的胶粘剂B的光纤环，应力最大的同时温度性能也有一定的劣化。因此，选择合适的胶粘剂可以有效地提高光纤环的温度性能，提高光纤陀螺的整体精度和应用水平。

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Effect of Cured Adhesive on the Temperature Performance of Fiber Coil

ZHAO Xiao-dong，ZHANG Zhi-hua，DU Jiang
（Beijing Aerospace Times Optical-electronic Co.Ltd.，Beijing 100094）

Fiber coil is the core part of the fiber optic gyroscope（FOG），its temperature performance directly determines the precision of FOG.The adhesive is the important composition of fiber coil，and the selection and use of adhesive is very important to the performance of fiber coil.This paper theoretically analyze the influence of adhesive properties on the performance of fiber coli，and three adhesives with different properties are used to coat fiber coil，the effects caused by adhesive with different properties on the temperature performance of fiber coil are contrasted and analyzed.The experiment results indicate that using adhesive with appropriate modulus，low cure shrinkage and enough tensile shear strength could get better temperature performance of fiber coil.

fiber coil；adhesive；fiber optic gyroscope；temperature performance

TN253

A

1674-5558（2016）03-01115

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.013

2015-05-05

赵晓东，男，博士，工程师，研究方向为惯性器件材料应用技术。