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射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)稱 RFID）在供應(yīng)鏈商品監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在先前的研究中，已有學(xué)者證實(shí)了將 RFID 標(biāo)簽應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber-Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱 CFRP）組件的可行性。

本項(xiàng)研究旨在評(píng)估 RFID 標(biāo)簽嵌入 CFRP 層壓板內(nèi)部對(duì)其準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度及失效模式的影響。研究團(tuán)隊(duì)采用有限元建模技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款內(nèi)置 RFID 標(biāo)簽的試樣，該試樣能夠模擬實(shí)際大型層壓板在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力分布。通過(guò)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至試樣發(fā)生破壞，以及在不同載荷水平下中止試驗(yàn)，利用 C 掃描技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行了細(xì)致檢查。此外，聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱 AE）和數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，簡(jiǎn)稱 DIC）技術(shù)也被用作無(wú)損監(jiān)測(cè)手段，以捕捉試樣的內(nèi)部損傷情況。

研究中還選取了部分中斷試驗(yàn)的試樣，通過(guò)提取顯微切片來(lái)直觀展示層壓板內(nèi)的損傷發(fā)展過(guò)程。通過(guò)這一系列的破壞性和非破壞性表征，研究者能夠準(zhǔn)確量化嵌入 RFID 標(biāo)簽對(duì) CFRP 層壓板強(qiáng)度的降低以及對(duì)失效模式的影響。

一、引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和信息量的增加，工業(yè)4.0 時(shí)代到來(lái)，無(wú)線連接技術(shù)成為提升工業(yè)應(yīng)用效率的關(guān)鍵。RFID 技術(shù)因其獨(dú)特的識(shí)別和追蹤功能，在供應(yīng)鏈、物流、醫(yī)療、汽車和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。RFID 標(biāo)簽通常應(yīng)用于 CFRP 復(fù)合材料組件的追蹤和監(jiān)控，但嵌入標(biāo)簽會(huì)對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度和失效模式產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有研究主要集中在標(biāo)簽的信號(hào)衰減和讀取距離，而對(duì)強(qiáng)度下降和失效機(jī)制的研究較少。

近日，國(guó)際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由意大利帕爾馬大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)完成的有關(guān)評(píng)估嵌入式 RFID 標(biāo)簽對(duì)復(fù)合材料層壓板強(qiáng)度的影響的研究成果。該研究旨在評(píng)估嵌入式 RFID 標(biāo)簽對(duì) CFRP 復(fù)合材料層壓板強(qiáng)度和失效模式的影響，為 CFRP 復(fù)合材料組件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。論文標(biāo)題為 “Assessment of the effect of embedded RFID tag on a composite laminate strength”。

二、研究?jī)?nèi)容及方法

研究通過(guò)有限元分析（FEA）模擬了不同尺寸的樣品，以確定最小的樣品尺寸，使得其在工程角度上能夠產(chǎn)生與較大尺寸樣品相同的穩(wěn)定應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)基線尺寸（L = 250 mm，W = 50 mm）已經(jīng)足夠大，能夠保證與更大尺寸的樣品相同的應(yīng)力分布。因此，最終選擇基線尺寸進(jìn)行樣品制造。

圖 1. 拉伸試驗(yàn)樣品：a) 背面；b) 正面。載荷施加于 y 方向。

樣品在自動(dòng)壓力機(jī)中進(jìn)行固化，然后在測(cè)試機(jī)上以 1 mm/min 的速度進(jìn)行拉伸測(cè)試。測(cè)試分為兩種類型：一種是測(cè)試到樣品破壞，重復(fù)五次；另一種是在預(yù)定的載荷水平下中斷測(cè)試，重復(fù)三次，以便進(jìn)行 C 掃描和微觀分析。

圖 2. Abaqus 中模型的網(wǎng)格部分：a) 前 CFRP 層；b) 凱夫拉纖維；c) Rohacell；d-e) 后 CFRP 層。

DIC系統(tǒng)包括兩個(gè)用于圖像采集的前置相機(jī)、一個(gè)用于圖像采集的側(cè)置相機(jī)和 VIC Gauge 采集系統(tǒng)。通過(guò)在樣品正面噴涂散斑圖案，可以精確測(cè)量樣品在拉伸測(cè)試過(guò)程中的變形情況。C掃描通過(guò)超聲波檢測(cè)樣品內(nèi)部損傷，尤其是在斷點(diǎn)測(cè)試中用于觀察分層損傷的演變。光學(xué)顯微鏡（OM）用于獲取樣品的微觀圖像，以便描述樣品內(nèi)部的損傷情況。

圖 3. 應(yīng)力拉伸試驗(yàn)?zāi)M a) CFRP 中的 S11、b) S22、c) S33，d) Kevlar 插入件中的 S11、e) S22、f) S33。

聲發(fā)射（AE）設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料損傷過(guò)程中發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào),通過(guò)分析材料內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲波信號(hào)，識(shí)別損傷類型，如基體開(kāi)裂、纖維/基體脫粘、纖維斷裂、分層和脫粘等。實(shí)驗(yàn)中使用了并行坐標(biāo)圖和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-自組織映射算法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，將信號(hào)分為四個(gè)不同的集群，分別對(duì)應(yīng)不同的損傷類型。

圖 4. AE 數(shù)據(jù)分析程序（ANN = 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；SOM = 自組織映射）。

通過(guò)單獨(dú)樣品進(jìn)行直至破壞的拉伸測(cè)試所得到的力-位移曲線，這些曲線顯示了所有樣品在彈性區(qū)域內(nèi)的相似行為，以及在超過(guò)40千牛的力時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)的力的部分下降，這可能表明了分層現(xiàn)象的開(kāi)始。結(jié)果表明，嵌入RFID標(biāo)簽的CFRP層壓板在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中的強(qiáng)度約為未嵌入標(biāo)簽的CFRP層壓板強(qiáng)度的一半。

數(shù)字圖像相關(guān)性（DIC）技術(shù)分析了樣品在拉伸測(cè)試過(guò)程中的變形場(chǎng)，結(jié)果表明，在加載初期，碳纖維和凱夫拉爾插件的界面處就出現(xiàn)了局部的應(yīng)變集中現(xiàn)象。隨著載荷的增加，碳纖維/凱夫拉爾界面出現(xiàn)橫向開(kāi)裂和脫粘，隨后，載荷完全轉(zhuǎn)移到凱夫拉爾插件兩側(cè)的碳纖維上。在試驗(yàn)的最后階段，可以看到明顯的纖維斷裂現(xiàn)象。

圖 5. 力水平下的 DIC 縱向應(yīng)變場(chǎng) (εyy)：a) 15 kN，b) 36 kN，c) 58 kN，d) 失效后。

C掃描技術(shù)研究了試樣在拉伸過(guò)程中的損傷演化模式，結(jié)果表明，脫粘區(qū)域在試驗(yàn)初期主要局限于試樣中央的凸起區(qū)域，隨著載荷的增加，脫粘區(qū)域逐漸擴(kuò)大，并最終擴(kuò)展到凸起區(qū)域以外的區(qū)域。

圖 6. C 掃描輪廓圖：a) 測(cè)試開(kāi)始時(shí)；b) 故障后?？潭缺硎境暡ǖ乃p。

研究通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了試樣的縱向和橫向截面，進(jìn)一步證實(shí)了C掃描的結(jié)果，即脫粘主要發(fā)生在碳纖維/凱夫拉爾界面以及碳纖維層之間。通過(guò)聲發(fā)射（AE）分析，并根據(jù)振幅范圍將信號(hào)分為四個(gè)不同的簇，分別對(duì)應(yīng)基體開(kāi)裂、纖維/基體界面脫粘、脫粘和纖維斷裂。結(jié)果表明，四種失效機(jī)制在加載過(guò)程中同時(shí)發(fā)生，并且損傷主要在載荷達(dá)到最大載荷的50%后開(kāi)始發(fā)展。

研究將整個(gè)測(cè)試過(guò)程劃分為幾個(gè)階段，每個(gè)階段增加一定的載荷，直到樣品最終破壞。使用C-scan技術(shù)觀察并記錄了樣品內(nèi)部的分層情況，發(fā)現(xiàn)分層隨著載荷的增加而逐漸擴(kuò)展，尤其是在接近破壞前，分層迅速發(fā)展并超出了初始的凸起區(qū)域。不同載荷水平下對(duì)樣品進(jìn)行C-scan成像，這些圖像揭示了RFID標(biāo)簽嵌入對(duì)CFRP層壓板造成的損傷及其在不同載荷下的變化情況。

圖 7. C 掃描給出的力水平圖片：a)0 kN，b)11 kN，c)22 kN，d)33 kN，e)44 kN，f)50 kN，g)破壞載荷后。標(biāo)尺表示超聲波的衰減。

三、小結(jié)

該研究結(jié)果表明，嵌入式 RFID 標(biāo)簽會(huì)顯著降低 CFRP 復(fù)合材料層壓板的強(qiáng)度，并引發(fā)多種損傷機(jī)制，包括基體開(kāi)裂、纖維/基體界面脫粘、脫粘和纖維斷裂。這些發(fā)現(xiàn)為 CFRP 復(fù)合材料組件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要參考，有助于提高其安全性和可靠性。

原始文獻(xiàn)：

Daniele Ambrosini, Dimitrios Zarouchas, Alessandro Pirondi, Luca Vescovi. Assessment of the effect of embedded RFID tag on a composite laminate strength. Composites Science and Technology 255 (2024) 110691.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110691