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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-07-11 18:32
纖維增強聚合物基（FRP）復合材料具有比強度和比剛度高、材料力學性能可設計、便于整體成型等優(yōu)點，在航空航天、風力發(fā)電、軌道交通、高技術船舶等領域的許多大型結構中得到了廣泛應用。
FRP復合材料的使用已成為減輕重大結構重量、提高效率和降低運營成本的有效途徑。但同時，復合材料結構不僅要承受復雜的疲勞載荷和意外沖擊載荷，還要承受惡劣的溫度、濕度等外部環(huán)境因素。這些因素，無論是單獨作用還是同時作用，都會導致復合材料結構出現(xiàn)分層、脫粘、基體開裂、纖維斷裂等各種復雜損傷模式的劣化甚至破壞。在構件失效前，這種內在損傷通常不會引起復合材料的外形變化，而且難以通過常規(guī)的目視檢查或敲打檢查發(fā)現(xiàn)。
FRP復合材料結構健康監(jiān)測（SHM）是對材料結構的損傷識別與實時監(jiān)測，能夠提高材料結構的安全性和可靠性。因此，SHM對于保證復合材料結構安全可靠的運行具有重要意義。
01用于FRP材料的SHM技術概述
目前用于FRP復合材料的兩種實時損傷監(jiān)測技術包括基于外部傳感器和基于內部傳感器的健康檢測。
聲發(fā)射檢測（AET）是目前應用最廣泛的外鍵合傳感器健康監(jiān)測技術之一。該技術不僅提供了結構健康狀態(tài)的實時敏感信息，而且還展示了主體復合材料結構在力學性能方面的非侵入性屬性。
然而，盡管基于外部鍵合傳感器的AET在檢測損傷方面具有出色的能力，但它們仍然經(jīng)常暴露于復雜和有害的環(huán)境因素中，導致長期傳感有效性和準確性下降，甚至失去功能。此外，基于外鍵合傳感器的AET在很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗，有時不便于實際應用。
（圖源：夢能科技）
鑒于此，為了充分克服外粘接的局限性，人們越來越多地致力于利用內嵌式傳感器對纖維增強復合材料進行原位損傷檢測，從而獲得更可靠的信號和更長的使用壽命。其中光纖，如光纖布拉格光柵（FBG）作為全嵌入式傳感器應用于在役復合材料的損傷傳感中得到了廣泛的研究。
這種替代的嵌入式光纖作為外部粘結傳感器，具有連續(xù)監(jiān)測應變和損傷的有效性。然而，光纖的植入可能會由于脆性和剛性破壞復合材料的完整性，對復合材料的力學性能產(chǎn)生負面影響。此外，嵌入式光纖傳感器的離散性、特定的纖維取向、纖維的排列和定位等特性對于大面積、精確的損傷傳感是有要求的。
（圖源：知乎）
在使用內部傳感器的原位監(jiān)測技術中，基于電阻測量的電信號越來越受到關注，這種技術利用納米尺度的電阻傳感器嵌入到纖維增強復合材料結構中，通過測量電阻的變化來監(jiān)測FRP結構的健康狀況。
基于電阻測量的電信號具有以下優(yōu)勢：
① 靈敏度高
電阻傳感器對結構變化的響應非常敏感，能夠檢測微小的應變、形變、破裂等結構變化；
② 實時性好
電阻測量的電信號可以實時采集和傳輸，提供準確和及時的結構監(jiān)測數(shù)據(jù)；
③ 高度集成化
電阻傳感器可以與材料結構高度集成，不需要額外的傳感器布置和連接，簡化了安裝和維護過程；
④ 良好的可擴展性
電阻測量技術可以結合其他傳感器技術，如壓力傳感器、濕度傳感器等，以實現(xiàn)多參數(shù)的結構監(jiān)測；
⑤ 長期穩(wěn)定性好
電阻傳感器具有較好的耐久性和長期穩(wěn)定性，可以在各種環(huán)境條件下長期運行，適用于航空航天等長壽命應用。
基于電阻測量的電信號技術在航空航天、建筑、橋梁、汽車等領域具有廣泛應用前景，可以實現(xiàn)SHM、缺陷檢測、應力分析等功能，是結構安全性和可靠性評估的重要手段。
02具有SHM功能的FRP復合材料制備
目前，將基于電阻信號監(jiān)測的傳感器集成到FRP復合材料中的方式主要有三種：一是將具有傳感性能的材料集成在復合材料的表面；二是將具有傳感性能的材料嵌入到復合材料的內部；三是利用材料的自傳感性能。
1將傳感材料集成在FRP復合材料表面
將傳感材料集成在纖維增強復合材料的表面是指，在材料的制造過程中，將一些具有裂紋監(jiān)測能力的傳感器材料，如石墨烯、碳納米管（CNT）等，整合到纖維復合材料的表面，使其成為材料的一部分。通過這種集成方式，傳感材料與纖維復合材料緊密結合，實時捕獲結構的動態(tài)行為，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)進行分析和判斷，可以實現(xiàn)高靈敏度的監(jiān)測；通過選擇合適的傳感材料和優(yōu)化集成技術，既可以減小對纖維復合材料力學性能和耐久性的影響，又能使得傳感材料在整個纖維復合材料的表面分布，實現(xiàn)對各個區(qū)域的分布式監(jiān)測，從而提供更全面的結構健康評估。
Santos等利用化學氣相沉積技術使CNT在聚酰亞胺薄膜（PI）表面垂直排列生長，制備了CNT/PI應變傳感器。之后將傳感器集成在碳纖維增強復合材料（CFRP）的表面，通過循環(huán)拉伸測試來研究傳感器對復合材料的監(jiān)測能力。實驗表明，CFRP受到外力的拉伸會引起表面?zhèn)鞲衅麟娮栊盘柕淖兓?，通過檢測樣品電阻信號的變化，來實現(xiàn)對纖維復合材料的SHM。
Ahmed等利用3D打印技術，將含有碳納米顆粒和聚氨酯的導電聚合物復合材料溶液，制造成應變傳感器。將傳感器黏附在玻璃纖維增強樹脂復合材料表面，并通過四點彎曲測試來研究傳感器的應變傳感和損傷監(jiān)測能力。結果表明，表面?zhèn)鞲衅鞯碾娮枳兓c樣品的失效類型有關；當纖維基體斷裂時，表面?zhèn)鞲衅鞯碾娮杩焖偕仙?；而當纖維分層時，表面?zhèn)鞲衅鞯碾娮鑴t緩慢上升。通過分析傳感器的電阻變化模式，可以判斷材料的失效模式（纖維基體斷裂或纖維分層）。
這種在纖維增強復合材料表面粘貼應變傳感器的方式，是開發(fā)具有SHM復合材料的一種重要途徑。
2將傳感材料嵌入FRP復合材料內部
將傳感材料嵌入到FRP復合材料的內部是一種創(chuàng)新的SHM方法。通過在制造復合材料過程中將傳感材料集成到其內部，使其成為材料組分的一部分。相對于外部暴露的傳感器，這種方式可以有效保護傳感器不受外部環(huán)境的影響（如濕度、溫度和物理損傷等），使其在使用過程中更加穩(wěn)定。將傳感材料嵌入到纖維增強復合材料的內部，能夠實時監(jiān)測材料內部的應變、振動等結構變化，從而提供準確、及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)；并且可以實現(xiàn)在材料的多個位置布置傳感器，有助于實現(xiàn)對整個結構的分布式監(jiān)測。
Chen等將多壁碳納米管（MWCNT）均勻分散在聚乙烯醇（PVA）溶液中，通過加熱除去溶劑后制備了壓阻傳感器；然后將傳感器嵌入玻璃纖維層間，并采用環(huán)氧樹脂固化，制備了具有SHM功能的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料。因傳感器與玻璃纖維界面充分粘合，不會影響復合材料主體的機械性能，還能夠準確地監(jiān)測復合材料的損壞和失效。當復合材料在拉伸載荷下受到損壞時，復合材料內部應變的變化會引起電阻信號的變化，可通過檢測傳感器電阻信號的變化來監(jiān)測材料結構的安全。因此，該方法可用于復合材料早期損傷的原位監(jiān)測，提高復合材料結構的安全性和可靠性。
Zhao等將表面鍍鎳的碳纖維（Ni-CF）絲束嵌入玻璃纖維增強樹脂基復合材料（GFRP）的不同位置，來實現(xiàn)GFRP的自診斷功能。力學性能測試表明，Ni-CF與EP基體表現(xiàn)出良好的黏附性，且對GFRP的力學性能沒有負面影響，應力可在Ni-CF和EP基體間有效傳遞，保證了監(jiān)測的有效性。
根據(jù)單向拉伸載荷下GFRP的電阻變化，可有效地監(jiān)測其損傷的演變過程：在彈性變形階段，GFRP的電阻變化不明顯，這表明復合材料處于安全使用期；隨著應變的繼續(xù)增加，材料開始出現(xiàn)裂紋，GFRP的電阻變化開始急劇增加，直到材料完全斷裂，此時電阻趨于無窮大。依據(jù)電阻的變化，可以判斷材料結構的完整性。因此，Ni-CF可用于GFRP的SHM，以評估安全使用的可靠性并防止復合材料在使用中突然失效。
3利用復合材料的自傳感性能
自傳感是指復合材料無需借助額外的傳感器，本身就具備感知和響應結構變化的能力。利用復合材料的自傳感性能，減少了復雜的安裝過程和成本，無需額外增加重量和負荷，不會影響到結構的整體性能。自傳感性能的纖維增強復合材料能夠實時感知和響應結構變化，提供準確、及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有助于快速發(fā)現(xiàn)潛在問題；并且可以適應不同類型的應變情況（如拉伸、壓縮、彎曲等），從而提供更全面的結構健康信息。
Qhobosheane等先將CNT分散到環(huán)氧樹脂中，再通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型技術將樹脂均勻滲透到玻璃纖維之間的間隙中，制備了具有壓阻特性的GFRP復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，可通過檢測復合材料樣品中微裂紋擴展時的電阻變化來評估復合材料對微裂紋損傷的敏感性。結果表明，未添加CNT的樣品在微裂紋擴展過程中電阻變化不明顯，在損傷發(fā)展和形態(tài)變化過程中電阻變化率較??；而添加CNT的樣品在微裂紋擴展過程中電阻變化率較大，損傷發(fā)展和形態(tài)變化過程中電阻變化率變大。當CNT的濃度在0.1wt%~0.3wt%范圍內，復合材料的微裂紋敏感性最佳。該研究通過分析智能復合材料的裂紋擴展、斷裂韌性和電阻變化率之間的關系，使得自感知裂紋擴展監(jiān)測成為可能。
Roh等采用聚合物界面涂層工藝將傳感碳纖維絲束與平面內相鄰的其他絲束隔離，制備了具有應變自感知功能的碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）復合材料。結果表明，所制備的復合材料不僅可以區(qū)分彎曲的方向，還可通過在制造過程中減少碳纖維絲束、原位界面聚合，以及石墨烯添加量，來增強復合材料的電阻變化敏感性。因為構筑了對形變更加敏感的導電網(wǎng)絡，這種隔離結構使導電復合材料能夠利用電阻進行自我感應。通過該方法制備的自傳感復合材料成本低、易于實施，并且靈敏度高，對于復合材料自傳感的研究具有重要意義。
03應用
具有SHM功能的FRP復合材料可以實現(xiàn)對結構物的實時檢測和診斷，有助于及早發(fā)現(xiàn)、預測和修復結構物中的缺陷或損傷，從而提高結構物的使用壽命和安全性。因此，可應用于許多領域，如航空航天、汽車、深海、建筑、風力發(fā)電、鐵路和醫(yī)療等。
1航空航天領域
在飛行器運行過程中，可能會受到各種損傷。將具有SHM功能的FRP復合材料引入飛行器的結構中，可監(jiān)測飛行器重要結構的結構健康；通過監(jiān)測和跟蹤結構的疲勞、損傷和變形等指標，可實時監(jiān)測并提醒維護人員，確保飛行器的安全飛行。
在航空航天發(fā)動機中，結構的健康狀況對于發(fā)動機性能和安全至關重要，將具有SHM功能的FRP復合材料作為其結構的一部分可以幫助檢測和評估葉片、渦輪盤、燃燒室等發(fā)動機部件的磨損和裂紋，及時發(fā)現(xiàn)和修復潛在的問題，提高發(fā)動機的可靠性和壽命。
除了航空航天器本身，具有SHM功能的FRP還可用于航空航天器維修、存儲和地面設施的監(jiān)測。通過對停機坪、機庫、懸掛設備和維修工具等設施進行監(jiān)測，可以確保航空航天器在地面期間的安全和完整性。
Rankin等將TiO2納米顆粒分散到環(huán)氧樹脂中，再通過浸涂工藝將環(huán)氧樹脂均勻的覆在碳纖維的表面，制備了具有SHM功能的碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料。結果表明，當TiO2的濃度為1.0%時，復合材料具有靈敏的壓阻效應，并且復合材料有較高的剪切強度（85 MPa）。
在飛行過程中航空航天器通常需要承受巨大的載荷和剪切力，這種具有高剪切強度和SHM功能的復合材料可以為航空航天器的結構所使用，既保證結構能夠抵御外部的沖擊和振動載荷，又能滿足SHM功能，確保航天器的安全和可靠運行。
2汽車工業(yè)
具有SHM功能的FRP復合材料在汽車制造領域中的應用也在不斷增加。對復合材料結構進行健康監(jiān)測，可以幫助評估汽車受到碰撞時的結構損傷情況，以及是否需要進行維修或更換關鍵部件。這有助于提高汽車的防撞安全性能，確保車輛在碰撞事故中能夠更好地保護乘客和行車安全。
具有SHM功能的FRP復合材料在汽車制造中可以應用于高性能部件，如剎車系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)和發(fā)動機罩等，實時監(jiān)測可能的磨損、裂紋和變形，以提高部件的可靠性和安全性。還可以用于監(jiān)測和評估汽車的結構問題，為維修和保養(yǎng)工作提供準確的指導和建議。
通過提前發(fā)現(xiàn)和定位潛在的問題，可以減少不必要的維修和更換，降低維修成本，并提高維修的效率和準確性。通過對車身、底盤等關鍵部位的健康監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)和判斷潛在的結構問題，預防事故發(fā)生，并提高汽車的安全性能和壽命。
Sáanchez Romate等利用噴涂法，將分散好的CNT噴涂在粘合膜上，制備出了具有裂紋監(jiān)測功能的新型CNT摻雜粘合膜，通過黏結在FRP復合材料和金屬材料的表面，可監(jiān)測復合材料和金屬材料的結構完整性。結果表明，隨著CNT的添加量增加，材料對裂紋的敏感性增加，當CNT的質量分數(shù)為0.1%時，其裂紋敏感性最好。這種材料既能減輕重量又有SHM的功能，廣泛用于汽車的結構及殼體，在汽車工業(yè)領域具有巨大的潛力。
3深海領域
FRP復合材料在深海領域如浮標、管線和平臺等也被大量應用。將具有SHM功能的FRP復合材料應用于這些結構，可實時監(jiān)測這些結構在海洋環(huán)境中的完整性和性能，如疲勞、腐蝕、變形等問題。有助于及早發(fā)現(xiàn)并評估可能的結構損傷，以采取必要的維修和保養(yǎng)措施，確保深海結構的安全和可靠運行。
例如，在深海油氣勘探和開發(fā)中，管線是重要的輸送工具。將具有SHM功能的FRP復合材料用于這些結構，可實時監(jiān)測深海管線的完整性和性能，有助于及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取修復和維護措施，確保管線的安全和可靠運行。
Carrino等將壓電晶片傳感器集成到玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料管道樣品上，對道樣品進行SHM。通過模擬和實驗，得出了壓電晶片傳感器在玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料中的監(jiān)測特性，并能夠利用其找到管線的損傷位置。這種材料能夠安裝在纖維增強復合材料管道上，并且主動監(jiān)測管道的“健康狀況”，在深海領域具有廣闊的應用前景。
4其他應用
在橋梁和建筑物建設領域，F(xiàn)RP復合材料在橋梁和建筑物的結構中被廣泛應用，例如使用復合材料加固橋梁結構。通過對這些結構的健康監(jiān)測，可以確保結構的安全性和穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)并處理結構的裂紋、變形和疲勞問題。
在風力發(fā)電領域，F(xiàn)RP復合材料被廣泛用于風力發(fā)電機葉片的制造。通過對葉片結構的健康監(jiān)測，可以監(jiān)測并識別潛在的疲勞損傷、裂紋和變形問題，提前采取修復措施，確保風力發(fā)電機的運行效率和安全性。
在鐵路行業(yè)，F(xiàn)RP復合材料在鐵路行業(yè)中的應用日益增加，用于制造輕量化的列車車身部件和結構。通過SHM，可以實時監(jiān)測車身結構的完整性，檢測疲勞損傷和其他潛在缺陷，保證列車的安全性和性能。
在醫(yī)療領域，F(xiàn)RP復合材料被應用于制造醫(yī)療器械，如手術器械、植入物和假肢等。通過SHM，可以幫助實時監(jiān)測醫(yī)療器械的結構完整性和性能，發(fā)現(xiàn)可能的損傷或故障，并提供準確的診斷和修復建議，確保醫(yī)療器械的可靠性和安全性。
展望
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，F(xiàn)RP復合材料SHM將產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)。未來，數(shù)據(jù)智能化和大數(shù)據(jù)分析將進一步應用于FRP復合材料SHM中，通過深入分析海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提取關鍵信息和模式，實現(xiàn)精細化的監(jiān)測和預測，優(yōu)化結構設計和維護管理策略。
未來，F(xiàn)RP復合材料的SHM也將與新材料和制造技術的發(fā)展相結合。新型復合材料、3D打印、納米材料等新技術將提供更多選擇，實現(xiàn)更高性能和更復雜結構的監(jiān)測。這將促進SHM技術的不斷創(chuàng)新和應用擴展。
總之，未來FRP復合材料SHM將朝著精確化、智能化、集成化和多功能的方向發(fā)展，必將為各個領域帶來更大的優(yōu)勢和應用潛力，推動工程技術的進步和可持續(xù)發(fā)展。
來源：Internet
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