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