嵌入陶瓷基复合材料的蓝宝石光纤布拉格光栅热冲击研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0093

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (8): 1222-1230.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0093

嵌入陶瓷基复合材料的蓝宝石光纤布拉格光栅热冲击研究

张晨昕¹(), 周峰²^,³(), 曾雨琪³, 谭胡洲³, 张一飞⁴, 刘显明², 姜亚军¹

^1.西北工业大学物理科学与技术学院，陕西省光信息技术重点实验室，西安 710129
^2.重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
^3.中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002
^4.北京飞机维修工程有限公司，北京 100621

收稿日期:2026-05-13 出版日期:2026-08-20 发布日期:2026-08-26
通信作者: 周峰，研究员。E-mail：14380842@qq.com
作者简介:张晨昕（2001—），男，山东省人，硕士研究生。E-mail：zhangchenxin@mail.nwpu.edu.cn
周峰，中国航发湖南动力机械研究所研究员，硕士生导师，国家重点研发计划课题负责人，国家科技专家库专家，河南省科技专家库专家，《燃气涡轮试验与研究》青年编委，株洲市高层次人才，主要研究方向为发动机测试，主持和参与国家级测试课题6项，发表论文10余篇，申请专利20余项，主审和参编国家标准1项、集团标准10余项。
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3207500);陕西省自然科学基础研究计划(2026JC-YBMS-0657)

Thermal Shock Study of Sapphire Fiber Bragg Gratings Embedded in Ceramic Matrix Composites

ZHANG Chenxin¹(), ZHOU Feng²^,³(), ZENG Yuqi³, TAN Huzhou³, ZHANG Yifei⁴, LIU Xianming², JIANG Yajun¹

^1.Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology，School of Physical Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^2.Key Lab of Optoelectronic Technology & Systems （Ministry of Education），College of Optoelectronic Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China
^3.AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China
^4.Aircraft Maintenance and Engineering Corporation，Beijing 100621，China

Received:2026-05-13 Online:2026-08-20 Published:2026-08-26

摘要/Abstract

摘要： 航空发动机导向叶片服役于高温燃气冲刷和快速热冲击环境，实时监测其内部温度与应变状态对构件热结构安全和寿命评估具有重要意义。针对传统电学传感器在高温、强振动和强电磁干扰环境下难以实现嵌入式多参量测量的问题，本文提出一种基于蓝宝石光纤布拉格光栅（SFBG）的陶瓷基复合材料（CMCs）导向叶片内部温度-应变同步监测方法。通过端面研磨、轴向偏置熔接和放电电流优化，实现了蓝宝石光纤与多模石英光纤的低损耗耦合熔接，采用飞秒激光相位掩模法制备了中心波长分别为1 530和1 540 nm的级联双SFBG，其-3 dB带宽分别为0.56和0.68 nm，信噪比分别为11.21和9.34 dB。高温性能测试表明，SFBG在室温至1 200 ℃具有稳定的二次函数温度响应，升温和降温阶段拟合优度分别为0.999 47和0.999 68。将SFBG嵌入CMCs试样中开展高温应变标定实验，结果表明经温度补偿后，SFBG在0～3 000 με的测试结果与高温引伸计的测试结果保持一致，相对误差小于5%。本研究进一步将级联双SFBG嵌入导向叶片内部，在1 200 ℃的高速高温气流环境下完成23次热冲击循环测试，实现了导向叶片内部温度-应变的同步测量，初步验证了将SFBG内嵌到CMCs导向叶片中实现热冲击监测的可行性。

关键词: 蓝宝石光纤布拉格光栅; 陶瓷基复合材料; 导向叶片; 高温传感; 应变测量; 热冲击

Abstract: Aero-engine guide vanes operate under high-temperature gas flow and rapid thermal shock environments. Real-time monitoring of their internal temperature and strain states is important for thermal-structural safety assessment and lifetime evaluation. To address the difficulty of embedded multi-parameter measurement using conventional electrical sensors under high-temperature， strong vibration， and strong electromagnetic interference， this study proposed a temperature-strain synchronous monitoring method based on sapphire fiber Bragg gratings （SFBGs） for guide vanes made of ceramic matrix composites （CMCs）. Low-loss coupling and fusion splicing between sapphire fiber and multimode silica fiber were achieved through end-face polishing， axial-offset fusion splicing， and discharge-current optimization. Cascaded dual SFBGs with center wavelengths of 1 530 and 1 540 nm were fabricated using the femtosecond laser phase-mask method. The -3 dB bandwidths of the two SFBGs are 0.56 and 0.68 nm， and the signal-to-noise ratios are 11.21 and 9.34 dB， respectively. High-temperature performance test show that the SFBG exhibits a stable quadratic function temperature response from room temperature to 1 200 ℃， with determination coefficients of 0.999 47 and 0.999 68 during heating and cooling， respectively. An SFBG was embedded into a specimen made of CMCs for high-temperature strain calibration text. The results show that after temperature compensation， the test results of SFBG in 0 με to 3 000 με are consistent with the test results of high-temperature extensometer， and the relative error is less than 5%. In this study， the cascaded dual SFBGs were further embedded inside a guide vane， and 23 thermal shock cycles were conducted under a 1 200 ℃ high-speed， high-temperature gas flow environment. The temperature-strain synchronous measurement inside the guide vane is realized， and the feasibility of embedding SFBG into the CMCs guide vane to realize thermal shock monitoring is preliminarily verified.

Key words: sapphire fiber Bragg grating; ceramic matrix composite; guide vane; high-temperature sensing; strain measurement; thermal shock

中图分类号:

O782.9

张晨昕, 周峰, 曾雨琪, 谭胡洲, 张一飞, 刘显明, 姜亚军. 嵌入陶瓷基复合材料的蓝宝石光纤布拉格光栅热冲击研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(8): 1222-1230.

ZHANG Chenxin, ZHOU Feng, ZENG Yuqi, TAN Huzhou, ZHANG Yifei, LIU Xianming, JIANG Yajun. Thermal Shock Study of Sapphire Fiber Bragg Gratings Embedded in Ceramic Matrix Composites[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(8): 1222-1230.

图/表 10

图1 高温测试系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of high-temperature testing system

图2 （a）光纤端面观察仪；1 μm砂纸研磨后（b）和0.5 μm抛光纸抛光后（c）的蓝宝石光纤端面

Fig.2 （a） Optical fiber end face microscope； sapphire fiber end faces after grinding with 1 μm abrasive paper （b） and polishing with 0.5 μm polishing paper （c）

图3 蓝宝石光纤与多模石英光纤的熔接形貌。（a）熔接前；（b）熔接中；（c）熔接后

Fig.3 Fusion splicing morphology of sapphire fiber and multimode silica fiber. （a） Before fusion splicing；（b） during fusion splicing；（c） after fusion splicing

图4 蓝宝石光纤熔接损耗测试。（a）测试系统；（b）不同放电电流下透射光功率曲线

Fig.4 Sapphire fiber fusion splicing loss test. （a） Test system；（b） transmitted optical power curves under different discharge currents

图5 级联双SFBG的光谱测试结果。（a）反射光谱；（b）解调仪监测界面

Fig.5 Spectral test results of cascaded dual SFBGs. （a） Reflection spectrum；（b） demodulator monitoring interface

图6 温度与SFBG中心波长拟合曲线（a）和SFBG高温标定及其拟合曲线（b）

Fig.6 Fitting curves of temperature and SFBG wavelength （a） and SFBG high-temperature calibration and its fitting curve （b）

图7 高温应变测试结果。（a）SFBG传感器与高温引伸计测试对比；（b）相对误差

Fig.7 High-temperature strain test results. （a） Comparison of SFBG sensor and high-temperature extensometer text；（b） relative error

图8 CMCs结构及SFBG传感器布设示意图。（a）导向叶片温度场分布仿真图；（b）传感器布设示意图

Fig.8 Schematic illustration of CMCs structure and SFBG sensor arrangement. （a） Simulation diagram of temperature field distribution of guide vane；（b） schematic illustration of sensor arrangement

表1 航空发动机极端环境部件级模拟试验台实验参数

Table 1 Experimental parameters of component-level test bench for aero-engine components under extreme environments

Parameter	Value	Unit
Oxygen flow rate	130.0	L/min
Kerosene flow rate	4.0	L/h
Air supply pressure	0.80	MPa
Kerosene supply pressure	0.63	MPa
Oxygen supply pressure	0.93	MPa
Gas-flow velocity	600	m·s^-1

图9 导向叶片内嵌级联双SFBG的热冲击响应曲线。（a）热冲击引起的温度响应曲线；（b）热冲击引起的应变响应曲线

Fig.9 Thermal shock response curves of embedded cascaded dual SFBGs in guide vane. （a） Temperature response curve induced by thermal shock；（b） strain response curve induced by thermal shock

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