纤维增强聚合物基（FRP）复合材料具有比强度和比刚度高、材料力学性能可设计、便于整体成型等优点，在航空航天、风力发电、轨道交通、高技术船舶等领域的许多大型结构中得到了广泛应用。

FRP复合材料的使用已成为减轻重大结构重量、提高效率和降低运营成本的有效途径。但同时，复合材料结构不仅要承受复杂的疲劳载荷和意外冲击载荷，还要承受恶劣的温度、湿度等外部环境因素。这些因素，无论是单独作用还是同时作用，都会导致复合材料结构出现分层、脱粘、基体开裂、纤维断裂等各种复杂损伤模式的劣化甚至破坏。在构件失效前，这种内在损伤通常不会引起复合材料的外形变化，而且难以通过常规的目视检查或敲打检查发现。

FRP复合材料结构健康监测（SHM）是对材料结构的损伤识别与实时监测，能够提高材料结构的安全性和可靠性。因此，SHM对于保证复合材料结构安全可靠的运行具有重要意义。

 

01用于FRP材料的SHM技术概述

目前用于FRP复合材料的两种实时损伤监测技术包括基于外部传感器和基于内部传感器的健康检测。

声发射检测（AET）是目前应用最广泛的外键合传感器健康监测技术之一。该技术不仅提供了结构健康状态的实时敏感信息，而且还展示了主体复合材料结构在力学性能方面的非侵入性属性。

然而，尽管基于外部键合传感器的AET在检测损伤方面具有出色的能力，但它们仍然经常暴露于复杂和有害的环境因素中，导致长期传感有效性和准确性下降，甚至失去功能。此外，基于外键合传感器的AET在很大程度上依赖于操作人员的经验，有时不便于实际应用。

（图源：梦能科技）

 

鉴于此，为了充分克服外粘接的局限性，人们越来越多地致力于利用内嵌式传感器对纤维增强复合材料进行原位损伤检测，从而获得更可靠的信号和更长的使用寿命。其中光纤，如光纤布拉格光栅（FBG）作为全嵌入式传感器应用于在役复合材料的损伤传感中得到了广泛的研究。

这种替代的嵌入式光纤作为外部粘结传感器，具有连续监测应变和损伤的有效性。然而，光纤的植入可能会由于脆性和刚性破坏复合材料的完整性，对复合材料的力学性能产生负面影响。此外，嵌入式光纤传感器的离散性、特定的纤维取向、纤维的排列和定位等特性对于大面积、精确的损伤传感是有要求的。

（图源：知乎）

在使用内部传感器的原位监测技术中，基于电阻测量的电信号越来越受到关注，这种技术利用纳米尺度的电阻传感器嵌入到纤维增强复合材料结构中，通过测量电阻的变化来监测FRP结构的健康状况。

基于电阻测量的电信号具有以下优势：

① 灵敏度高

电阻传感器对结构变化的响应非常敏感，能够检测微小的应变、形变、破裂等结构变化；

② 实时性好

电阻测量的电信号可以实时采集和传输，提供准确和及时的结构监测数据；

③ 高度集成化

电阻传感器可以与材料结构高度集成，不需要额外的传感器布置和连接，简化了安装和维护过程；

④ 良好的可扩展性

电阻测量技术可以结合其他传感器技术，如压力传感器、湿度传感器等，以实现多参数的结构监测；

⑤ 长期稳定性好

电阻传感器具有较好的耐久性和长期稳定性，可以在各种环境条件下长期运行，适用于航空航天等长寿命应用。

 

基于电阻测量的电信号技术在航空航天、建筑、桥梁、汽车等领域具有广泛应用前景，可以实现SHM、缺陷检测、应力分析等功能，是结构安全性和可靠性评估的重要手段。

 

02具有SHM功能的FRP复合材料制备

目前，将基于电阻信号监测的传感器集成到FRP复合材料中的方式主要有三种：一是将具有传感性能的材料集成在复合材料的表面；二是将具有传感性能的材料嵌入到复合材料的内部；三是利用材料的自传感性能。

1将传感材料集成在FRP复合材料表面

将传感材料集成在纤维增强复合材料的表面是指，在材料的制造过程中，将一些具有裂纹监测能力的传感器材料，如石墨烯、碳纳米管（CNT）等，整合到纤维复合材料的表面，使其成为材料的一部分。通过这种集成方式，传感材料与纤维复合材料紧密结合，实时捕获结构的动态行为，并将数据传输到监测系统进行分析和判断，可以实现高灵敏度的监测；通过选择合适的传感材料和优化集成技术，既可以减小对纤维复合材料力学性能和耐久性的影响，又能使得传感材料在整个纤维复合材料的表面分布，实现对各个区域的分布式监测，从而提供更全面的结构健康评估。

Santos等利用化学气相沉积技术使CNT在聚酰亚胺薄膜（PI）表面垂直排列生长，制备了CNT/PI应变传感器。之后将传感器集成在碳纤维增强复合材料（CFRP）的表面，通过循环拉伸测试来研究传感器对复合材料的监测能力。实验表明，CFRP受到外力的拉伸会引起表面传感器电阻信号的变化，通过检测样品电阻信号的变化，来实现对纤维复合材料的SHM。 

Ahmed等利用3D打印技术，将含有碳纳米颗粒和聚氨酯的导电聚合物复合材料溶液，制造成应变传感器。将传感器黏附在玻璃纤维增强树脂复合材料表面，并通过四点弯曲测试来研究传感器的应变传感和损伤监测能力。结果表明，表面传感器的电阻变化与样品的失效类型有关；当纤维基体断裂时，表面传感器的电阻快速上升；而当纤维分层时，表面传感器的电阻则缓慢上升。通过分析传感器的电阻变化模式，可以判断材料的失效模式（纤维基体断裂或纤维分层）。

这种在纤维增强复合材料表面粘贴应变传感器的方式，是开发具有SHM复合材料的一种重要途径。

2将传感材料嵌入FRP复合材料内部

将传感材料嵌入到FRP复合材料的内部是一种创新的SHM方法。通过在制造复合材料过程中将传感材料集成到其内部，使其成为材料组分的一部分。相对于外部暴露的传感器，这种方式可以有效保护传感器不受外部环境的影响（如湿度、温度和物理损伤等），使其在使用过程中更加稳定。将传感材料嵌入到纤维增强复合材料的内部，能够实时监测材料内部的应变、振动等结构变化，从而提供准确、及时的监测数据；并且可以实现在材料的多个位置布置传感器，有助于实现对整个结构的分布式监测。

Chen等将多壁碳纳米管（MWCNT）均匀分散在聚乙烯醇（PVA）溶液中，通过加热除去溶剂后制备了压阻传感器；然后将传感器嵌入玻璃纤维层间，并采用环氧树脂固化，制备了具有SHM功能的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。因传感器与玻璃纤维界面充分粘合，不会影响复合材料主体的机械性能，还能够准确地监测复合材料的损坏和失效。当复合材料在拉伸载荷下受到损坏时，复合材料内部应变的变化会引起电阻信号的变化，可通过检测传感器电阻信号的变化来监测材料结构的安全。因此，该方法可用于复合材料早期损伤的原位监测，提高复合材料结构的安全性和可靠性。

Zhao等将表面镀镍的碳纤维（Ni-CF）丝束嵌入玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的不同位置，来实现GFRP的自诊断功能。力学性能测试表明，Ni-CF与EP基体表现出良好的黏附性，且对GFRP的力学性能没有负面影响，应力可在Ni-CF和EP基体间有效传递，保证了监测的有效性。

根据单向拉伸载荷下GFRP的电阻变化，可有效地监测其损伤的演变过程：在弹性变形阶段，GFRP的电阻变化不明显，这表明复合材料处于安全使用期；随着应变的继续增加，材料开始出现裂纹，GFRP的电阻变化开始急剧增加，直到材料完全断裂，此时电阻趋于无穷大。依据电阻的变化，可以判断材料结构的完整性。因此，Ni-CF可用于GFRP的SHM，以评估安全使用的可靠性并防止复合材料在使用中突然失效。

3利用复合材料的自传感性能

自传感是指复合材料无需借助额外的传感器，本身就具备感知和响应结构变化的能力。利用复合材料的自传感性能，减少了复杂的安装过程和成本，无需额外增加重量和负荷，不会影响到结构的整体性能。自传感性能的纤维增强复合材料能够实时感知和响应结构变化，提供准确、及时的监测数据，有助于快速发现潜在问题；并且可以适应不同类型的应变情况（如拉伸、压缩、弯曲等），从而提供更全面的结构健康信息。

Qhobosheane等先将CNT分散到环氧树脂中，再通过真空辅助树脂传递模塑成型技术将树脂均匀渗透到玻璃纤维之间的间隙中，制备了具有压阻特性的GFRP复合材料。研究发现，可通过检测复合材料样品中微裂纹扩展时的电阻变化来评估复合材料对微裂纹损伤的敏感性。结果表明，未添加CNT的样品在微裂纹扩展过程中电阻变化不明显，在损伤发展和形态变化过程中电阻变化率较小；而添加CNT的样品在微裂纹扩展过程中电阻变化率较大，损伤发展和形态变化过程中电阻变化率变大。当CNT的浓度在0.1wt%~0.3wt%范围内，复合材料的微裂纹敏感性最佳。该研究通过分析智能复合材料的裂纹扩展、断裂韧性和电阻变化率之间的关系，使得自感知裂纹扩展监测成为可能。

Roh等采用聚合物界面涂层工艺将传感碳纤维丝束与平面内相邻的其他丝束隔离，制备了具有应变自感知功能的碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）复合材料。结果表明，所制备的复合材料不仅可以区分弯曲的方向，还可通过在制造过程中减少碳纤维丝束、原位界面聚合，以及石墨烯添加量，来增强复合材料的电阻变化敏感性。因为构筑了对形变更加敏感的导电网络，这种隔离结构使导电复合材料能够利用电阻进行自我感应。通过该方法制备的自传感复合材料成本低、易于实施，并且灵敏度高，对于复合材料自传感的研究具有重要意义。

 

03应用

具有SHM功能的FRP复合材料可以实现对结构物的实时检测和诊断，有助于及早发现、预测和修复结构物中的缺陷或损伤，从而提高结构物的使用寿命和安全性。因此，可应用于许多领域，如航空航天、汽车、深海、建筑、风力发电、铁路和医疗等。

1航空航天领域

在飞行器运行过程中，可能会受到各种损伤。将具有SHM功能的FRP复合材料引入飞行器的结构中，可监测飞行器重要结构的结构健康；通过监测和跟踪结构的疲劳、损伤和变形等指标，可实时监测并提醒维护人员，确保飞行器的安全飞行。

在航空航天发动机中，结构的健康状况对于发动机性能和安全至关重要，将具有SHM功能的FRP复合材料作为其结构的一部分可以帮助检测和评估叶片、涡轮盘、燃烧室等发动机部件的磨损和裂纹，及时发现和修复潜在的问题，提高发动机的可靠性和寿命。

除了航空航天器本身，具有SHM功能的FRP还可用于航空航天器维修、存储和地面设施的监测。通过对停机坪、机库、悬挂设备和维修工具等设施进行监测，可以确保航空航天器在地面期间的安全和完整性。

Rankin等将TiO2纳米颗粒分散到环氧树脂中，再通过浸涂工艺将环氧树脂均匀的覆在碳纤维的表面，制备了具有SHM功能的碳纤维增强环氧树脂复合材料。结果表明，当TiO2的浓度为1.0%时，复合材料具有灵敏的压阻效应，并且复合材料有较高的剪切强度（85 MPa）。

在飞行过程中航空航天器通常需要承受巨大的载荷和剪切力，这种具有高剪切强度和SHM功能的复合材料可以为航空航天器的结构所使用，既保证结构能够抵御外部的冲击和振动载荷，又能满足SHM功能，确保航天器的安全和可靠运行。

2汽车工业

具有SHM功能的FRP复合材料在汽车制造领域中的应用也在不断增加。对复合材料结构进行健康监测，可以帮助评估汽车受到碰撞时的结构损伤情况，以及是否需要进行维修或更换关键部件。这有助于提高汽车的防撞安全性能，确保车辆在碰撞事故中能够更好地保护乘客和行车安全。

具有SHM功能的FRP复合材料在汽车制造中可以应用于高性能部件，如刹车系统、悬挂系统和发动机罩等，实时监测可能的磨损、裂纹和变形，以提高部件的可靠性和安全性。还可以用于监测和评估汽车的结构问题，为维修和保养工作提供准确的指导和建议。

通过提前发现和定位潜在的问题，可以减少不必要的维修和更换，降低维修成本，并提高维修的效率和准确性。通过对车身、底盘等关键部位的健康监测，可以及时发现和判断潜在的结构问题，预防事故发生，并提高汽车的安全性能和寿命。

Sáanchez Romate等利用喷涂法，将分散好的CNT喷涂在粘合膜上，制备出了具有裂纹监测功能的新型CNT掺杂粘合膜，通过黏结在FRP复合材料和金属材料的表面，可监测复合材料和金属材料的结构完整性。结果表明，随着CNT的添加量增加，材料对裂纹的敏感性增加，当CNT的质量分数为0.1%时，其裂纹敏感性最好。这种材料既能减轻重量又有SHM的功能，广泛用于汽车的结构及壳体，在汽车工业领域具有巨大的潜力。

3深海领域

FRP复合材料在深海领域如浮标、管线和平台等也被大量应用。将具有SHM功能的FRP复合材料应用于这些结构，可实时监测这些结构在海洋环境中的完整性和性能，如疲劳、腐蚀、变形等问题。有助于及早发现并评估可能的结构损伤，以采取必要的维修和保养措施，确保深海结构的安全和可靠运行。

例如，在深海油气勘探和开发中，管线是重要的输送工具。将具有SHM功能的FRP复合材料用于这些结构，可实时监测深海管线的完整性和性能，有助于及时发现问题，并采取修复和维护措施，确保管线的安全和可靠运行。

Carrino等将压电晶片传感器集成到玻璃纤维增强环氧树脂复合材料管道样品上，对道样品进行SHM。通过模拟和实验，得出了压电晶片传感器在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料中的监测特性，并能够利用其找到管线的损伤位置。这种材料能够安装在纤维增强复合材料管道上，并且主动监测管道的“健康状况”，在深海领域具有广阔的应用前景。

4其他应用

在桥梁和建筑物建设领域，FRP复合材料在桥梁和建筑物的结构中被广泛应用，例如使用复合材料加固桥梁结构。通过对这些结构的健康监测，可以确保结构的安全性和稳定性，及时发现并处理结构的裂纹、变形和疲劳问题。

在风力发电领域，FRP复合材料被广泛用于风力发电机叶片的制造。通过对叶片结构的健康监测，可以监测并识别潜在的疲劳损伤、裂纹和变形问题，提前采取修复措施，确保风力发电机的运行效率和安全性。 

在铁路行业，FRP复合材料在铁路行业中的应用日益增加，用于制造轻量化的列车车身部件和结构。通过SHM，可以实时监测车身结构的完整性，检测疲劳损伤和其他潜在缺陷，保证列车的安全性和性能。

在医疗领域，FRP复合材料被应用于制造医疗器械，如手术器械、植入物和假肢等。通过SHM，可以帮助实时监测医疗器械的结构完整性和性能，发现可能的损伤或故障，并提供准确的诊断和修复建议，确保医疗器械的可靠性和安全性。

 

展望

随着物联网技术的快速发展，FRP复合材料SHM将产生更多的数据。未来，数据智能化和大数据分析将进一步应用于FRP复合材料SHM中，通过深入分析海量监测数据，提取关键信息和模式，实现精细化的监测和预测，优化结构设计和维护管理策略。

未来，FRP复合材料的SHM也将与新材料和制造技术的发展相结合。新型复合材料、3D打印、纳米材料等新技术将提供更多选择，实现更高性能和更复杂结构的监测。这将促进SHM技术的不断创新和应用扩展。

总之，未来FRP复合材料SHM将朝着精确化、智能化、集成化和多功能的方向发展，必将为各个领域带来更大的优势和应用潜力，推动工程技术的进步和可持续发展。

 

来源：Internet

关键词： 纤维增强聚合物基复合材料 研究进展