一种嵌入式压阻传感复合材料及其损伤监测方法

本发明属于连续碳纤维复合材料结构健康监测，具体涉及一种嵌入式压阻传感复合材料及其损伤监测方法。

背景技术：

1、连续碳纤维复合材料凭借高比强度、高比模量、轻量化、抗腐蚀、可定制化成型的优异性能，在航空航天、轨道交通、新能源汽车等高端装备领域得到广泛应用。然而，该类连续碳纤维复合材料在制备、运输及服役过程中，易产生滑移、分层、断裂的隐蔽性损伤，这类损伤初期难以察觉，随着服役时间延长会逐步扩展，最终导致构件失效，严重影响装备运行安全性。因此，将传感单元嵌入复合材料内部，对连续碳纤维复合材料构件进行实时的结构健康监测，可更直接、精准地捕获构件内部损伤信号，及时发现内部损伤并预警，具有重要的工程应用价值。

2、目前，采用嵌入式传感单元实现连续碳纤维复合材料的损伤监测是主流技术路径，但是，传统嵌入工艺所制备的嵌入式压阻传感复合材料，因嵌入工艺与3d打印连续成型工艺适配性不足，导致嵌入传感单元的复合材料的结构完整性被严重破坏，从而导致复合材料的力学性能衰减，无法满足构件正常承载需求。

3、同时，现有的嵌入式压阻传感复合材料中，由于部分传感单元柔性不足，在嵌入传感单元的复合材料发生弯曲形变时，难以产生灵敏的电阻响应，无法精准捕捉早期微小损伤信号。由此，在对嵌入传感单元的复合材料的损伤监测中，通常需对试样进行破坏性试验、依赖力学信号的采集与分析才能判断损伤情况，无法脱离力学信号独立工作，且仅能粗略判断损伤存在，无法对滑移、分层、断裂等不同损伤阶段进行分类识别，也无法预测损伤临界点，难以实现损伤的早期识别与预警。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种低力学性能影响的嵌入式压阻传感复合材料及其损伤监测方法。

2、本发明通过协同优化压阻型柔性传感器的结构尺寸、嵌入位置、嵌入密度及界面相容性，将传感器嵌入对复合材料力学性能的影响控制在5%以内，同时实现弯曲形变下的高灵敏电阻响应，解决传统嵌入式压阻传感复合材料因结构完整性破坏导致的力学性能下降明显，以及因传感单元柔性不足导致电阻响应灵敏度低、损伤监测依赖力学信号、无法实现早期无损预警的问题。

3、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

4、本发明一方面提供一种嵌入式压阻传感复合材料，嵌入式压阻传感复合材料是以连续碳纤维复合材料为基体，在面积为2.5cm2～2500cm2的基体中嵌入一个压阻型柔性传感器，且所述压阻型柔性传感器的嵌入位置位于所述基体的应力集中区和/或易损伤区，以捕捉损伤信号并转化为电信号；所述压阻型柔性传感器的结构尺寸为：厚度50μm～200μm，宽度1mm～3mm，长度1cm～2cm。

5、设定：基体的结构尺寸为长度5cm～50cm，宽度0.5cm～50cm，厚度1mm～10mm；嵌入密度定义为单位面积的基体中允许嵌入的压阻型柔性传感器的数量，则所述压阻型柔性传感器在基体的应力集中区和/或易损伤区中的嵌入密度为1/2.5cm2～1/2500cm2。

6、本发明通过对压阻型柔性传感器的结构尺寸、嵌入位置、嵌入密度及与基体的界面相容性进行协同优化，将压阻型柔性传感器嵌入对基体力学性能的影响控制在5%以内，同时实现弯曲形变下的高灵敏电阻响应。

7、优选的，所述基体是采用3d打印连续成型工艺制备得到；所述压阻型柔性传感器嵌入于所述基体沿打印方向的倒数第一层和倒数第二层之间；所述压阻型柔性传感器嵌入于沿基体正中心点至基体外周边缘的径向方向上；所述压阻型柔性传感器的嵌入位置选自以下位置中的任意一个：基体正中心点、偏离基体正中心点1mm～2mm的位置、靠近基体外周边缘1mm～3mm的位置以及靠近基体外周边缘4mm～10mm的位置。

8、本发明中，基体正中心点为基体两条中线的交点，基体正中心点以及偏离基体正中心点1mm～2mm的位置位于基体的正中心区域，是基体的应力集中区。靠近基体外周边缘1mm～3mm的位置以及靠近基体外周边缘4mm～10mm的位置是基体的易损伤区。

9、优选的，所述压阻型柔性传感器的结构为直线型结构或波浪形结构；经ansys有限元仿真优化确定结构尺寸参数，其中厚度控制在50μm～200μm、宽度1mm～3mm，长度1cm～2cm，通过结构尺寸设计，以适配基体应力集中区和/或易损伤区域，如层间结合面和拐角等。该结构尺寸设计既保证传感器具有优异的柔性与形变适应性，可随复合材料弯曲形变同步变形，又避免尺寸过大导致基体应力集中，最大限度降低对复合材料力学性能的影响，从而能够兼顾形变适应性与电阻响应灵敏度。

10、本发明通过有限元受力分析，精准定位基体的应力集中区和易损伤区，将压阻型柔性传感器布设于应力集中区和/或易损伤区，同时严格避开连续碳纤维的受力主方向，避免压阻型柔性传感器干扰碳纤维的承载作用，确保压阻型柔性传感器既能精准捕捉损伤信号，又不额外增加基体的力学负担，进一步控制性能损失。

11、优选的，嵌入式压阻传感复合材料在形变过程中的极限承载强度相比于嵌入前的基体在形变过程中的极限承载强度的降低幅度≤5%，所述形变过程中的极限承载强度为拉伸强度和弯曲强度；所述嵌入式压阻传感复合材料在形变过程中的电阻变化率响应灵敏度≥50，响应时间＜100ms。

12、优选的，所述连续碳纤维复合材料是以热塑性树脂和连续碳纤维为原料，采用3d打印连续成型工艺进行逐层堆积成型，其中，连续碳纤维占连续碳纤维复合材料的体积分数为30%～50%；所述热塑性树脂为聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯、聚碳酸酯或热塑性聚氨酯；3d打印连续成型工艺的参数为：打印温度220℃～300℃，打印速度5mm/s～20mm/s，连续碳纤维的铺放角度为0°、45°和90°中的一种或多种组合。

13、本发明的连续碳纤维复合材料是采用热塑性树脂为基体材料，以连续碳纤维为增强相，经3d打印逐层堆积成型。本发明中，连续碳纤维复合材料所用基体材料为热塑性树脂，热塑性树脂选自聚酰胺（pa，俗称尼龙）、聚醚醚酮（peek）、聚苯硫醚（pps）、聚乳酸（pla）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（abs）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（petg）、聚碳酸酯（pc）或热塑性聚氨酯（tpu）中的一种或多种。

14、上述材料可采用市售粒料、粉末或丝材。例如pa可选用basf ultramid®、emsgrivory®、arkema rilsan®、polymaker polymide™ pa12-cf、ensinger tecatec pa6cf50 t200等；peek可选用victrex™ peek、solvay ketaspire®、evonik vestakeep®、ensinger tecatec peek cw50 pl v01等；pps可选用celanese fortron®、syensqo ryton®、polymics pyramid pps se2250等；pla可选用natureworksingeo™、totalenergiescorbion luminy®、lft-g pla-na-lcf30、3dxtech carbonx cfr-pla、lati latgea b20am uvhe92 k/15等；abs可选用lg chem、chimei、sabic、lati、3dxtech、mocom、rtp company等；petg可选用eastman、sk chemicals、sunlu、三菱化学、nanovia、spectrum filaments、3djake、julier等；pc可选用sabic lexan™、covestro makrolon®、ensinger tecatec pccf45 t245/cf 50 t200、mocom、mitsubishi等；tpu可选用basf elastollan®、lubrizolestane®、covestro desmopan®、celanese celstran tpu-cf40-01、premix pre-elec tp16159、bada ag badaflex tpu 90a 8030 cf17、mocom alcom tpu 810/1998.1 cf、techmer electrafil tpu/e 06001、xenia materials xecarb 7-c30-d16-a等。peek、pps、pa12-cf等均已有碳纤维增强或连续纤维复合材料应用基础。上述聚合物材料可采用市售工程塑料级、纤维增强级、3d打印级或复合材料预浸料级树脂，其分子量、熔融指数、熔点、玻璃化转变温度、硬度及黏度可根据连续碳纤维浸润性、打印成型温度、层间结合强度和复合材料力学性能进行选择。

15、本发明中，压阻式柔性传感器的嵌入时机控制与3d打印连续成型工艺的层间成型节奏同步，打印参数匹配包括打印温度、打印速度、纤维铺放角度与传感器嵌入需求的适配。嵌入时机具体控制在复合材料基体单层或多层打印完成后、下一层打印开始前的10min～60min内，此时既能确保传感器嵌入后与基体紧密结合，又不会因嵌入困难破坏基体结构；根据传感器的类型与结构参数，调整3d打印参数，确保打印过程中传感器不被高温损坏，同时保障复合材料基体的力学性能不受影响。

16、优选的，嵌入式压阻传感复合材料是以连续碳纤维复合材料为基体，对压阻式柔性传感器进行表面预处理，再将表面预处理后的压阻式柔性传感器嵌入到基体中，使压阻式柔性传感器与基体界面相容；对压阻式柔性传感器进行表面预处理的方法是：采用等离子体改性、硅烷偶联剂涂覆或环氧树脂胶涂覆对压阻式柔性传感器进行表面预处理。

17、优选的，所述压阻式柔性传感器是由封装层、导电功能层、中间层和基底层依次复合而成，且在封装层和导电功能层之间布置电极引线；所述封装层和所述基底层的材料为热塑性聚氨酯（tpu）、聚酰亚胺（pi）、热塑性聚酰亚胺（tpi）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sbs）、苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯嵌段共聚物（seps）、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sis）或苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（sebs）的一种或多种；所述导电功能层的材料为碳纳米管（cnt）、银纳米线、石墨烯和mxene中的至少一种；所述中间层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet），所述电极引线的材料为导电铜膜。

18、所述封装层和所述基底层的材料可选用市售工业级、试剂级或薄膜级聚合物，例如：basf的elastollan®、lubrizol estane®、covestro desmopan®系列tpu；ensinger或dupont kapton®、upilex®系列及国产pi；rtp company 4200、aurum® pl450c、extem™系列tpi及试剂级热塑性pi树脂；dupont hytrel®、dsm arnitel®、kopel® kp系列、keyflex® bt 7069g或同类tpee，以及kraton、tsrc、lcy、kuraray septon®、lg化学、中国石化巴陵石化、湖南岳化及浙江众成等厂家提供的sbs、sebs、seps、sis类嵌段共聚物。tpu通常可选shore a 70–95或shore d 40–75牌号；tpee可选shore d 30–72牌号；sbs、sebs、seps、sis的数均或重均分子量可选5×104g/mol～3×105g/mol；pi或tpi可选薄膜级、注塑级或热压成型级材料。上述聚合物材料可采用市售牌号，具体牌号、分子量、硬度、熔融指数和膜厚可根据柔性传感器的灵敏度、拉伸性、耐弯折性及加工工艺进行选择。所述封装层和所述基底层的材料优选为热塑性聚氨酯（tpu）。

19、本发明中，压阻型柔性传感器采用碳纳米管、银纳米线、石墨烯、mxene或其他导电高分子中的一种以及它们协同复合使用作为导电功能层，通过丝网印刷、喷涂、刮涂、滴涂、浸渍等方式沉积或涂覆在柔性弹性基体上并形成稳定导电网络，通过氧等离子体处理、硅烷偶联剂处理增强其与基体的界面结合，保障电阻响应的稳定性与灵敏度。此外，需要对引出导线封装，完成后对压阻型柔性传感器的电性能进行预检测，确保压阻型柔性传感器性能合格。

20、本发明中，压阻型柔性传感器的基底层材料选用热塑性弹性体（tpu、pi、tpi、tpee、sbs、seps、sis或sebs），该材料与基体的热塑性树脂（pa、peek、pps、pla、abs、petg、pc或tpu）具有良好的热兼容性与化学相容性。在压阻型柔性传感器嵌入前，压阻型柔性传感器的表面采用等离子体改性、硅烷偶联剂涂覆或环氧树脂ab胶处理，在压阻型柔性传感器表面形成活性基团，提升压阻型柔性传感器表面与基体的界面粘结力；有效避免界面脱粘导致的电阻信号漂移，同时进一步降低压阻型柔性传感器嵌入对基体力学性能的影响，确保压阻型柔性传感器嵌入后，嵌入式压阻传感复合材料的拉伸强度和弯曲强度相比于嵌入前的降低幅度均≤5%。

21、本发明另一方面提供一种嵌入式压阻传感复合材料的损伤监测方法，包括以下步骤：

22、以嵌入式压阻传感复合材料为试样，对试样进行三点弯曲试验，同步采集电信号与力信号，并对电信号与力信号进行降噪处理；从降噪处理后的电信号中提取电信号特征参数，并结合降噪处理后的力信号，识别试样损伤发展的三个损伤阶段；分析各损伤阶段的电信号特征参数的变化规律，构建电信号特征参数与力信号的映射关系；根据电信号特征参数与力信号的映射关系，以及各损伤阶段的电信号特征参数的变化规律，确定各损伤阶段的电信号特征参数的判定阈值，用于实现对不同损伤阶段的分类识别；将降噪处理后的电信号和力信号输入模型进行训练，输出损伤临界点和损伤阶段，并确保模型的损伤临界点的预测准确率≥95%，得到训练后的模型，将实时采集并降噪处理后的电信号特征参数输入训练后的模型，用于预测试样的损伤状态或损伤临界点，并实现损伤临界预警与早期识别。

23、本发明中，损伤临界点是电信号从线性可逆响应向非线性损伤响应转变的关键拐点，具体是滑移阶段的起始点，用于提前预判损伤萌生。阈值包括健康阈值、预警阈值以及损伤阈值，通过设置多级阈值，实现对不同损伤阶段的快速识别与分级。

24、优选的，所述电信号为时间与实时电阻值，所述力信号为试验力与位移数据；所述电信号特征参数为相对电阻变化率、变化斜率、信号方差及突变幅值中的至少一种。相对电阻变化率的计算公式为：δr/r0=(r-r0)/r0，其中r为实时电阻值，r0为无载荷状态下的初始电阻值，δr/r0为相对电阻变化率。所述降噪处理是采用加权平均滤波和小波降噪算法，去除温度、电磁干扰导致的信号噪声。

25、优选的，所述损伤阶段为滑移阶段、分层阶段和断裂阶段；滑移阶段表示基体损伤发展的损伤萌生阶段；分层阶段表示基体损伤发展的损伤扩展阶段；断裂阶段表示基体损伤发展的失效阶段。弹性阶段表示基体未发生损伤。

26、优选的，实现对不同损伤阶段的分类识别的方法如下：设定判定阈值为t1、t2和t3，其中t1表征损伤萌生阈值，t2表征损伤扩展阈值，t3表征失效阈值；当相对电阻变化率达到或超过t1时，确定损伤阶段为滑移阶段；当相对电阻变化率达到或超过t2时，确定损伤阶段为分层阶段；当相对电阻变化率达到或超过t3时，确定损伤阶段为断裂阶段。

27、本发明中，电信号分析方法包括特征值提取、阈值对比及趋势拟合。特征值提取，把原始电信号变成可量化指标；阈值对比，判断当前是否损伤、属于哪一级损伤；趋势拟合，通过电信号，预测在不破坏样件的条件下，找到损伤即将发生的临界点。三者结合，可在不破坏试样的前提下，仅依靠电信号实现碳纤维复合材料损伤的早期识别、阶段判定与临界预警。

28、本发明中，深度学习模型为cnn-lstm混合模型，经多组三点弯曲试验的电信号、力信号数据训练，损伤临界点预测准确率≥95%。三点弯曲试验的参数为：跨距60mm～90mm，加载速度1mm/min～2mm/min，电信号与力信号的采集频率为10hz～100hz。

29、本发明基于三点弯曲试验同步采集力-电信号，提取相对电阻变化率、变化斜率、信号方差及突变幅值等特征参数，构建两者映射关系，实现对滑移、分层及断裂等不同损伤阶段的分类识别，进一步结合深度学习模型对损伤临界点进行预测，在无需依赖力学信号、不破坏试样的情况下，仅通过电信号即可实现碳纤维复合材料损伤的早期识别与预警。

30、本发明的有益效果：

31、1、本发明通过对压阻型柔性传感器的结构尺寸、嵌入位置、嵌入密度及与基体的界面相容性的协同优化，实现低性能损伤与高灵敏电阻响应的平衡。在压阻型柔性传感器嵌入后，基体的弯曲强度和拉伸强度的降低幅度均≤5%，不影响构件正常承载性能，同时保证弯曲形变下的高灵敏电阻响应，解决了传统传感器嵌入与复合材料性能、信号响应之间的矛盾。

32、2、本发明的压阻型柔性传感器采用优化的尺寸结构，基体弯曲形变下电阻变化率响应灵敏度≥50，响应时间＜100ms，可精准捕捉早期微小损伤信号，确保压阻型柔性传感器能够精准、实时感知基体内部的损伤信号，避免损伤遗漏。