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嵌入式RFID标签对CFRP复合材料强度的影响评估

嘉峪检测网 2024-09-18 09:51

导读:本项研究旨在评估 RFID 标签嵌入 CFRP 层压板内部对其准静态强度及失效模式的影响。

射频识别技术(Radio Frequency Identification,简称 RFID)在供应链商品监控领域发挥着重要作用。在先前的研究中,已有学者证实了将 RFID 标签应用于碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber-Reinforced Polymer,简称 CFRP)组件的可行性。

 

本项研究旨在评估 RFID 标签嵌入 CFRP 层压板内部对其准静态强度及失效模式的影响。研究团队采用有限元建模技术,设计了一款内置 RFID 标签的试样,该试样能够模拟实际大型层压板在拉伸状态下的应力分布。通过进行拉伸试验直至试样发生破坏,以及在不同载荷水平下中止试验,利用 C 扫描技术对试样进行了细致检查。此外,声发射(Acoustic Emission,简称 AE)和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称 DIC)技术也被用作无损监测手段,以捕捉试样的内部损伤情况。

 

研究中还选取了部分中断试验的试样,通过提取显微切片来直观展示层压板内的损伤发展过程。通过这一系列的破坏性和非破坏性表征,研究者能够准确量化嵌入 RFID 标签对 CFRP 层压板强度的降低以及对失效模式的影响。

 

 

 

一、引言

随着工业生产数据和信息量的增加,工业4.0 时代到来,无线连接技术成为提升工业应用效率的关键。RFID 技术因其独特的识别和追踪功能,在供应链、物流、医疗、汽车和航空航天等领域得到广泛应用。RFID 标签通常应用于 CFRP 复合材料组件的追踪和监控,但嵌入标签会对复合材料的强度和失效模式产生影响。现有研究主要集中在标签的信号衰减和读取距离,而对强度下降和失效机制的研究较少。

 

近日,国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由意大利帕尔马大学、代尔夫特理工大学完成的有关评估嵌入式 RFID 标签对复合材料层压板强度的影响的研究成果。该研究旨在评估嵌入式 RFID 标签对 CFRP 复合材料层压板强度和失效模式的影响,为 CFRP 复合材料组件的设计和应用提供参考。论文标题为 “Assessment of the effect of embedded RFID tag on a composite laminate strength”。

 

二、研究内容及方法

研究通过有限元分析(FEA)模拟了不同尺寸的样品,以确定最小的样品尺寸,使得其在工程角度上能够产生与较大尺寸样品相同的稳定应力分布,发现基线尺寸(L = 250 mm,W = 50 mm)已经足够大,能够保证与更大尺寸的样品相同的应力分布。因此,最终选择基线尺寸进行样品制造。

图 1. 拉伸试验样品:a) 背面;b) 正面。载荷施加于 y 方向。

样品在自动压力机中进行固化,然后在测试机上以 1 mm/min 的速度进行拉伸测试。测试分为两种类型:一种是测试到样品破坏,重复五次;另一种是在预定的载荷水平下中断测试,重复三次,以便进行 C 扫描和微观分析。

 

图 2. Abaqus 中模型的网格部分:a) 前 CFRP 层;b) 凯夫拉纤维;c) Rohacell;d-e) 后 CFRP 层。

DIC系统包括两个用于图像采集的前置相机、一个用于图像采集的侧置相机和 VIC Gauge 采集系统。通过在样品正面喷涂散斑图案,可以精确测量样品在拉伸测试过程中的变形情况。C扫描通过超声波检测样品内部损伤,尤其是在断点测试中用于观察分层损伤的演变。光学显微镜(OM)用于获取样品的微观图像,以便描述样品内部的损伤情况。

 

图 3. 应力拉伸试验模拟 a) CFRP 中的 S11、b) S22、c) S33,d) Kevlar 插入件中的 S11、e) S22、f) S33。

声发射(AE)设备用于实时监测材料损伤过程中发出的声发射信号,通过分析材料内部损伤产生的声波信号,识别损伤类型,如基体开裂、纤维/基体脱粘、纤维断裂、分层和脱粘等。实验中使用了并行坐标图和人工神经网络-自组织映射算法对声发射信号进行分析,将信号分为四个不同的集群,分别对应不同的损伤类型。

 

图 4. AE 数据分析程序(ANN = 人工神经网络;SOM = 自组织映射)。

通过单独样品进行直至破坏的拉伸测试所得到的力-位移曲线,这些曲线显示了所有样品在弹性区域内的相似行为,以及在超过40千牛的力时开始出现的力的部分下降,这可能表明了分层现象的开始。结果表明,嵌入RFID标签的CFRP层压板在准静态拉伸试验中的强度约为未嵌入标签的CFRP层压板强度的一半。

 

数字图像相关性(DIC)技术分析了样品在拉伸测试过程中的变形场,结果表明,在加载初期,碳纤维和凯夫拉尔插件的界面处就出现了局部的应变集中现象。随着载荷的增加,碳纤维/凯夫拉尔界面出现横向开裂和脱粘,随后,载荷完全转移到凯夫拉尔插件两侧的碳纤维上。在试验的最后阶段,可以看到明显的纤维断裂现象。

 

图 5. 力水平下的 DIC 纵向应变场 (εyy):a) 15 kN,b) 36 kN,c) 58 kN,d) 失效后。

C扫描技术研究了试样在拉伸过程中的损伤演化模式,结果表明,脱粘区域在试验初期主要局限于试样中央的凸起区域,随着载荷的增加,脱粘区域逐渐扩大,并最终扩展到凸起区域以外的区域。

 

图 6. C 扫描轮廓图:a) 测试开始时;b) 故障后。刻度表示超声波的衰减。

研究通过光学显微镜观察了试样的纵向和横向截面,进一步证实了C扫描的结果,即脱粘主要发生在碳纤维/凯夫拉尔界面以及碳纤维层之间。通过声发射(AE)分析,并根据振幅范围将信号分为四个不同的簇,分别对应基体开裂、纤维/基体界面脱粘、脱粘和纤维断裂。结果表明,四种失效机制在加载过程中同时发生,并且损伤主要在载荷达到最大载荷的50%后开始发展。

 

研究将整个测试过程划分为几个阶段,每个阶段增加一定的载荷,直到样品最终破坏。使用C-scan技术观察并记录了样品内部的分层情况,发现分层随着载荷的增加而逐渐扩展,尤其是在接近破坏前,分层迅速发展并超出了初始的凸起区域。不同载荷水平下对样品进行C-scan成像,这些图像揭示了RFID标签嵌入对CFRP层压板造成的损伤及其在不同载荷下的变化情况。

 

图 7. C 扫描给出的力水平图片:a)0 kN,b)11 kN,c)22 kN,d)33 kN,e)44 kN,f)50 kN,g)破坏载荷后。标尺表示超声波的衰减。

 

三、小结

该研究结果表明,嵌入式 RFID 标签会显著降低 CFRP 复合材料层压板的强度,并引发多种损伤机制,包括基体开裂、纤维/基体界面脱粘、脱粘和纤维断裂。这些发现为 CFRP 复合材料组件的设计和应用提供了重要参考,有助于提高其安全性和可靠性。

 

原始文献:

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.

原文链接:

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

 

 

来源:复合材料力学

关键词: 复合材料强度

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