先進碳纖維增強復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)*

卿新林，黃 媛，顏佳佳，宋沛強，劉琦牮，孫 虎

（廈門大學，廈門 361102）

由于具有比強度和比剛度高、材料力學性能可設(shè)計、易于整體成型等優(yōu)點，先進復(fù)合材料是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計的理想材料，在航空航天、風力發(fā)電等領(lǐng)域的重大裝備結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。鑒于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型技術(shù)水平的限制，以及設(shè)計、檢測、運輸和維修等方面的需要，飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須安排一定數(shù)量的工藝分離面，以便于將兩個或兩個以上結(jié)構(gòu)件有效連接為一體。連接結(jié)構(gòu)是大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性具有重要作用。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接形式主要有3 種[1]，分為機械連接、膠接連接和混合連接，其中機械連接包含螺栓連接、銷釘連接、鉚釘連接等方式。螺栓連接因具有可靠性高、承載能力強、便于重復(fù)拆裝、使用維護簡便等優(yōu)點，是飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要機械連接方式。復(fù)合材料螺栓連接的主要失效形式有5 種，分別為螺栓松動、凈截面破壞、剪切破壞、劈裂拉斷和擠壓破壞。由于開孔造成的應(yīng)力集中等問題，使得連接結(jié)構(gòu)成為飛行器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[2]。相關(guān)統(tǒng)計表明，80%的結(jié)構(gòu)失效是由連接結(jié)構(gòu)失效造成的，復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計是制約復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)進一步應(yīng)用的瓶頸[3]。由于復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)本身的特點及所受載荷和使用環(huán)境的復(fù)雜性，復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的完整性與耐久性分析非常困難。因此，智能實時監(jiān)測復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，并在線診斷評估其可靠性、完整性，對保障飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全服役具有十分重要的意義。

以永久集成在結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural health monitoring，SHM）技術(shù)是確定結(jié)構(gòu)完整性的革命性創(chuàng)新技術(shù)[4–8]。SHM技術(shù)通過在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)上內(nèi)置傳感器網(wǎng)絡(luò)，在線實時獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)及服役環(huán)境等信息，從而實時掌握結(jié)構(gòu)的健康狀況，并在此基礎(chǔ)上對可能發(fā)生的損傷和故障進行預(yù)判，以便能夠及時采取措施，建立基于結(jié)構(gòu)實際健康狀況與性能的視情維護策略，從而提高裝備結(jié)構(gòu)的安全性并降低運營維護成本。近年來，一些學者針對復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方法進行了較為深入的研究，利用不同傳感監(jiān)測技術(shù)對復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化進行表征[9–15]，包括基于電阻變化法的碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓失效監(jiān)測[10]、基于應(yīng)變測量的螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓失效監(jiān)測與預(yù)緊力變化監(jiān)測[11]、基于聲發(fā)射技術(shù)的螺栓連接結(jié)構(gòu)微動磨損程度表征[12]、基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的螺栓連接結(jié)構(gòu)擠壓失效監(jiān)測[13]、基于振動聲調(diào)制技術(shù)的復(fù)合材料螺栓連接松動監(jiān)測[14]，以及利用計算機斷層掃描技術(shù)與掃描電子顯微鏡技術(shù)相結(jié)合[15]對復(fù)合材料螺栓接頭的承載失效過程進行觀察與表征等。這些監(jiān)測方法雖然能夠?qū)β菟ㄟB接結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化及失效模式進行表征，但在實現(xiàn)傳感器與結(jié)構(gòu)一體化集成、對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行實時監(jiān)測并識別不同失效模式等方面仍存在局限性。因此亟須發(fā)展集成度高、具備多失效模式識別能力的復(fù)合材料螺栓連結(jié)構(gòu)傳感監(jiān)測技術(shù)，以推動SHM 技術(shù)在大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

近年來，渦流檢測技術(shù)被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，其主要形式為設(shè)計并制造基于渦流檢測技術(shù)的柔性渦流傳感薄膜并將其粘貼在待測結(jié)構(gòu)上進行實時監(jiān)測[16–19]，包括面向飛機金屬螺栓連接結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的花萼狀渦流傳感器等。斯坦福大學和廈門大學的學者們提出了一種基于矩形柔性渦流傳感薄膜的金屬螺栓連接結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測方法，該渦流傳感薄膜由一個矩形激勵線圈和一個矩形接收線圈構(gòu)成，可用于監(jiān)測金屬螺栓連接結(jié)構(gòu)孔周圍及沿孔深度方向的損傷[20–22]。另一方面，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，碳基納米壓阻傳感器在結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測方面的研究逐漸增多，尤其以壓力和應(yīng)變監(jiān)測為主的碳基納米壓阻傳感器越來越多地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[23–30]，包括利用碳納米管（Carbon nanotube，CNT）傳感器網(wǎng)絡(luò)對玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化進行監(jiān)測[26]；由全噴墨打印技術(shù)制成的納米壓阻傳感器來表征典型航空航天結(jié)構(gòu)部件在劇烈溫度變化下的小尺寸裂紋[29]；由納米石墨烯片（Graphene nanoplatelets，GNP）和高分子聚合物基體聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone，PVP）制成的可植入式納米壓阻傳感器網(wǎng)絡(luò)與超聲方法相結(jié)合能夠準確成像CFRP層壓板中的異常情況[30]，并持續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)且保證復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性。

本文針對CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)失效特點，研制具有工藝制備簡單、與結(jié)構(gòu)集成度高、監(jiān)測靈敏度高的柔性渦流陣列傳感薄膜和碳基納米壓阻傳感器，以實現(xiàn)對CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)不同損傷模式的精確辨識與損傷參數(shù)的定量化監(jiān)測。

1 基于柔性渦流傳感薄膜的CFRP 螺接結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)

1.1 柔性渦流傳感薄膜監(jiān)測原理

碳纖維本身具有導(dǎo)電性，當與絕緣的樹脂基體組成復(fù)合材料后沿纖維方向依然具有一定的導(dǎo)電性，圖1 為CFRP 結(jié)構(gòu)中纖維與纖維之間接觸及電流流通路徑示意圖。相鄰纖維之間的接觸在CFRP 中構(gòu)成了一個閉合的導(dǎo)電回路，使得電流可以沿該回路流動。然而CFRP 的電導(dǎo)率會隨著結(jié)構(gòu)的變化而改變。例如，纖維與纖維之間的連接點斷開、纖維自身斷裂或結(jié)構(gòu)失效等均會導(dǎo)致電阻增加，從而影響纖維及結(jié)構(gòu)整體的導(dǎo)電性能。

圖1 CFRP 纖維接觸及電流流通路徑示意圖Fig.1 Schematic of CFRP fiber contact and current flow path

渦流監(jiān)測技術(shù)主要用于對待測試件表面及近表面損傷進行表征，監(jiān)測時將傳感器粘貼在待測試件的表面。為了對較厚CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的孔邊損傷進行監(jiān)測，本文提出了一種柔性渦流陣列傳感薄膜，如圖2所示，將導(dǎo)線印刷在聚酰亞胺材質(zhì)的柔性薄膜上形成柔性渦流傳感器（包括激勵線圈和接收線圈），再將柔性渦流傳感器纏繞、粘貼并固定在螺栓連接結(jié)構(gòu)的螺桿上。在渦流傳感器的激勵線圈中施加交變電流Ii時，在線圈的周圍將產(chǎn)生交變磁場Hi，即原磁場。原磁場Hi會在連接結(jié)構(gòu)孔邊產(chǎn)生感應(yīng)電流Is，也稱為渦流。與此同時渦流又會產(chǎn)生一個交變磁場Hs，稱為渦流磁場，即次級磁場。因此，被測結(jié)構(gòu)在健康狀態(tài)下的總磁場Ht，即基準磁場，為原磁場Hi和渦流磁場Hs的總和，表示為

圖2 柔性渦流傳感薄膜工作原理Fig.2 Working principle of flexible eddy current sensing film

當連接結(jié)構(gòu)螺栓孔邊或者孔內(nèi)壁發(fā)生損傷時，如圖2（b）所示，損傷會對原磁場Hi在孔邊所產(chǎn)生的渦流產(chǎn)生一定的阻礙，并對渦流的分布狀態(tài)及流通方式產(chǎn)生影響，從而形成一個新的渦流I's和新的渦流磁場H's。因此，總的磁場H't更改為原磁場Hi與變化后的次級磁場H's的總和，表示為

渦流傳感薄膜中的接收線圈在空間總磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由連接結(jié)構(gòu)孔邊損傷引起的總磁場變化使得接收線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，因此通過測量接收線圈的感應(yīng)電壓變化就可以監(jiān)測連接結(jié)構(gòu)孔邊損傷。

1.2 柔性渦流陣列傳感薄膜設(shè)計

如圖3 所示，用于監(jiān)測CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的柔性渦流陣列傳感薄膜由激勵線圈、接收線圈和保護層薄膜組成。該種設(shè)計的主要目的是將柔性渦流傳感器有效集成到連接結(jié)構(gòu)中，以對連接結(jié)構(gòu)孔邊區(qū)域及孔內(nèi)壁區(qū)域健康狀態(tài)進行同步監(jiān)測，并針對不同損傷進行區(qū)分，從而使整個螺栓連接結(jié)構(gòu)更加智能化。

圖3 柔性渦流陣列傳感薄膜及其與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)集成Fig.3 Flexible eddy current array sensing film and its integration with CFRP bolted joints

圖4 為典型的柔性渦流陣列傳感薄膜激勵線圈示意圖，激勵線圈由雙層電路構(gòu)成，上下兩層電路由絕緣薄膜隔開，并由薄膜上的開孔進行連接，子線圈之間采用串聯(lián)的連接方式構(gòu)成一個大的激勵線圈。激勵線圈擁有兩種不同的電流流通形式，其主要區(qū)別在于兩個相鄰激勵子線圈邊界上的電流流通路徑的方向不同，一種為電流同向流動，另一種為電流反向流動。接收線圈結(jié)構(gòu)與激勵線圈結(jié)構(gòu)完全相同，不同之處在于各線圈之間采用并聯(lián)的連接方式以達到獨立工作的效果，如圖5 所示。

圖4 柔性渦流陣列傳感薄膜激勵線圈示意圖Fig.4 Schematic diagram of flexible eddy current array sensing thin film excitation coil

圖5 柔性渦流陣列傳感薄膜接收線圈Fig.5 Flexible eddy current array sensing thin film receiver coil

圖6 為柔性渦流陣列傳感薄膜與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)集成示意圖，其中傳感薄膜緊貼螺桿，傳感器所在區(qū)域為有效監(jiān)測區(qū)域，由4 個子線圈構(gòu)成的渦流陣列傳感薄膜沿復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)孔邊軸向方向依次排開。在傳感薄膜工作時，螺栓結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化會引起線圈產(chǎn)生的渦流和結(jié)構(gòu)所處磁場的變化，該變化將以感應(yīng)電壓的形式進行表征，由此判斷連接結(jié)構(gòu)孔邊及孔內(nèi)壁的健康狀況。

圖6 柔性渦流陣列傳感薄膜與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)集成示意圖Fig.6 Schematic of integration of flexible eddy current array sensing film and CFRP bolted joints

從理論分析可知，如上所述的單輸入多輸出一維傳感器陣列可以監(jiān)測復(fù)合材料層合板孔邊損傷沿徑向及軸向方向擴展，但不能確定損傷在徑向方向的位置，因此難以識別連接結(jié)構(gòu)的損傷模式。通過單輸入多輸出二維渦流傳感器陣列不但可以監(jiān)測復(fù)合材料層合板孔邊損傷沿徑向及軸向方向擴展，還可以預(yù)測損傷的徑向位置，識別損傷模式。此外，除矩形線圈外，激勵線圈和接收線圈還可根據(jù)監(jiān)測需要設(shè)計為其他形狀[22，31–32]。

1.3 柔性渦流陣列傳感薄膜損傷監(jiān)測試驗驗證

本文分別采用T300–3K 單向碳纖維預(yù)浸料和T300–3K 碳纖維編織物預(yù)浸料制作CFRP 試件對柔性渦流陣列傳感薄膜的損傷監(jiān)測功能進行試驗驗證。如圖7 所示，CFRP 試件的長度、寬度和高度分別為100 mm、100 mm 和20 mm。為了精確地制造缺陷，螺栓連接結(jié)構(gòu)由4 塊層合板組成，每塊板的厚度為5 mm，每塊CFRP 層合板孔邊區(qū)域與1 個接收線圈位置相對應(yīng)，且單向CFRP 層合板的鋪層順序為[0/45/90/–45]3s。圖8 為試驗用柔性渦流陣列傳感薄膜實物圖，薄膜上每個線圈的線徑和間距均為0.25 mm。柔性渦流陣列傳感膜的寬度和長度分別為20 mm和43.96 mm。激勵線圈共80 匝，4個接收線圈每個接收線圈的匝數(shù)為20 匝。傳感器線圈匝數(shù)、間距、寬度等設(shè)計參數(shù)的設(shè)計取決于對監(jiān)測靈敏度、信噪比等因素的要求。

圖7 CFRP 試件實物圖Fig.7 Physical image of CFRP specimens

圖8 柔性渦流陣列傳感薄膜實物圖Fig.8 Physical image of flexible eddy current array sensing film

將渦流陣列傳感薄膜粘貼在螺桿上并且與制作好的CFRP 試件進行裝配。試驗系統(tǒng)由Rigol DG3061A 信號發(fā)生器、T&C AG1020功率放大器、CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)、柔性渦流陣列傳感薄膜、外部開關(guān)和SYSU OE2041 鎖相放大器等設(shè)備組成，如圖9 所示。信號發(fā)生器Rigol DG3061A 可產(chǎn)生頻率為8 MHz、輸出電壓為1 V 的正弦交流信號，通過T&C AG1020 功率放大器放大后輸入激勵線圈。利用SYSU OE2041 鎖相放大器測量接收線圈的感應(yīng)電壓，通過一個外接開關(guān)板在不同接收線圈之間進行切換從而達到監(jiān)測各接收線圈感應(yīng)電壓變化的目的。

圖9 基于柔性渦流陣列傳感薄膜的CFRP螺栓連接結(jié)構(gòu)孔邊損傷監(jiān)測系統(tǒng)Fig.9 Hole edge damage monitoring system for CFRP bolted joints based on flexible eddy current array sensing film

在CFRP 試件的孔邊沿徑向和軸向方向利用數(shù)控雕刻機分別制造了不同長度和深度的損傷。沿螺栓孔徑向損傷擴展步長為每次1 mm，軸向損傷擴展步長為每次5 mm。通過監(jiān)測系統(tǒng)測量損傷分別沿孔邊軸向和徑向擴展時柔性渦流陣列傳感薄膜接收線圈的感應(yīng)電壓變化。圖10 顯示了損傷沿單向CFRP 層合板孔邊徑向從0 增大到5 mm 時接收線圈感應(yīng)電壓的變化情況。如圖10（a）所示，當最上面一塊CFRP 單向?qū)雍习宄霈F(xiàn)損傷時接收線圈1 的感應(yīng)電壓迅速升高，感應(yīng)電壓升高的主要原因為損傷出現(xiàn)后渦流產(chǎn)生的磁場對原磁場抑制作用減小，使得總磁場強度相較于損傷前有所增強。與此同時，其余3 個位于無損傷板塊處的接收線圈對應(yīng)的感應(yīng)電壓值基本保持不變。試驗中也對激勵線圈相鄰子線圈電流方向進行了不同的設(shè)置，即電流同向與電流反向。試驗結(jié)果表明，當兩個激勵子線圈的相鄰邊界的電流方向相同時感應(yīng)電壓的變化要比電流相反時更加明顯，主要因為電流方向相同增強了線圈電流強度，從而提高了線圈的靈敏度。

圖10 單向CFRP 層合板試件損傷沿孔邊徑向擴展前后各接收線圈感應(yīng)電壓變化情況Fig.10 Variation of induced voltage of each receiving coil before and after the radial expansion of damage along hole edge of unidirectional CFRP laminate specimen

當?shù)? 塊CFRP 層合板損傷沿螺栓孔徑向從0 增大到5 mm 時，接收線圈感應(yīng)電壓的變化如圖10（b）所示。與圖10（a）所示的結(jié)果相似，當?shù)? 塊CFRP 層合板出現(xiàn)損傷時，其所在處的接收線圈2 的感應(yīng)電壓值迅速升高，而其他3 個接收線圈的感應(yīng)電壓值大致保持不變。由圖10 可知，當徑向損傷擴展至約3 mm時，期間接收線圈感應(yīng)電壓值不斷增大。在此之后，即使損傷進一步擴展，接收線圈的感應(yīng)電壓值基本保持不變，這是因為渦流主要分布在孔周邊區(qū)域，導(dǎo)致其監(jiān)測范圍受到限制。類似地，當損傷出現(xiàn)在第3 塊層合板或第4 塊層合板時，其所在處的接收線圈3 或4 的感應(yīng)電壓值迅速升高，而其他3 個接收線圈的感應(yīng)電壓值大致保持不變。

圖11 顯示了徑向長度為2 mm的損傷沿孔邊軸向方向從0～20 mm等步長擴展時接收線圈的感應(yīng)電壓變化趨勢。損傷沿孔邊軸向方向由0 增加到20 mm，每次增加5 mm。結(jié)果表明，在損傷出現(xiàn)的位置所對應(yīng)的接收線圈的感應(yīng)電壓值會顯著增大，而其余接收線圈的感應(yīng)電壓值變化明顯小于該接收線圈的感應(yīng)電壓值變化。同樣，當兩個激勵子線圈的相鄰邊界的電流方向相同時，感應(yīng)電壓的變化值要比電流相反時更加明顯。

圖11 CFRP 單向?qū)雍习逶嚰p傷沿孔邊軸向擴展前后各接收線圈感應(yīng)電壓變化情況Fig.11 Induction voltage changes of each receiving coil before and after CFRP unidirectional laminate specimen damage along hole edge axial expansion

對編織CFRP 層合板制作的復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)進行的損傷擴展監(jiān)測試驗得到了類似于上文試驗的結(jié)果，但基于編織CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)孔邊損傷沿不同方向擴展時柔性渦流陣列傳感薄膜接收線圈感應(yīng)電壓值的變化量要略大于基于單向CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的對應(yīng)值，當激勵線圈相鄰子線圈電流方向相同時尤為明顯。主要原因是編織CFRP 結(jié)構(gòu)中纖維之間接觸點更多，并且纖維相互垂直排布，因此電流流通路徑要多于單向碳纖維預(yù)浸料。

2 基于碳基納米壓阻傳感器的CFRP 螺接結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)

2.1 碳基納米壓阻傳感器監(jiān)測原理

碳基納米壓阻傳感器的工作原理是將其自身受到的應(yīng)變或者應(yīng)力等外界物理載荷轉(zhuǎn)化為電阻信號，而電阻信號的變化源于傳感器中微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化，這受到包括接觸電阻、隧道效應(yīng)和導(dǎo)電材料自身電阻在內(nèi)的多種因素影響[33–35]。目前應(yīng)用較為廣泛的是以碳基納米材料為導(dǎo)電填料的納米壓阻傳感器，其中包括炭黑（Carbon black，CB）、碳納米管、石墨烯及其衍生物等。

本文所研究的碳基納米壓阻傳感器包含兩種類型：一種是單一碳基導(dǎo)電填料類型，另一種是混合碳基導(dǎo)電填料類型。單一碳基導(dǎo)電填料傳感器中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是由CB 顆粒組成的，而混合碳基導(dǎo)電填料傳感器中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是由CB 和CNT 共同組成的，CB 和CNT 可以分別視為一個導(dǎo)電單元。碳基納米材料和PVP 均勻混合后，導(dǎo)電填料之間的縫隙被基體填充，近乎均勻地分散在基體中，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)?；w中的導(dǎo)電單元之間有3 種位置關(guān)系，即直接接觸、準接觸和不接觸。當兩個導(dǎo)電單元直接接觸時，可以認為電流在兩個導(dǎo)電單元之間自由流動，忽略接觸電阻；當兩個導(dǎo)電單元不接觸時，即兩個導(dǎo)電單元之間沒有電流通過。根據(jù)量子力學中的原理解釋，當兩個導(dǎo)電單元準接觸，它們距離足夠近時，即使導(dǎo)電單元沒有實際接觸，其中一個導(dǎo)電單元上的自由電子也可以穿過聚合物基體分子的能量勢壘躍遷到鄰近的導(dǎo)電單元上，從而在它們之間形成導(dǎo)電通道，這就是隧道效應(yīng)[34]。電子躍遷時克服的能量勢壘被定義為隧道電阻[35–36]，其計算公式為

式中，Rtunnel為隧道電阻；A 為隧道效應(yīng)的有效橫截面積；J 為隧道效應(yīng)電流密度；V 為導(dǎo)電單元之間的電勢差；e 為元電荷量；m 為電子質(zhì)量；h 為普朗克常量；d 為導(dǎo)電單元之間的距離；λ 為導(dǎo)電單元之間的勢壘高度。由式（3）可知，隧道電阻Rtunnel與導(dǎo)電單元之間的距離d 呈指數(shù)關(guān)系，當外界載荷強行改變導(dǎo)電單元間的距離時，由導(dǎo)電單元自身的變化引起的電阻變化很小，而Rtunnel會發(fā)生急劇的變化。因此，有效隧道效應(yīng)區(qū)域的多少直接關(guān)系到碳基納米壓阻傳感器整體電阻變化的敏感性，即傳感器的壓阻靈敏度。

圖12 是單一碳基導(dǎo)電填料傳感器壓阻效應(yīng)原理圖[36]。單一CB 組分添加時，CB/PVP 傳感器中的CB顆粒整體呈隨機分布，需要較高濃度才可以形成導(dǎo)通的微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。如式（4）所示，CB/PVP 傳感器中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的總電阻R 由3 部分組成，分別為CB 顆粒直接接觸形成的接觸電阻Rc1、CB 顆粒的固有電阻RCB、在準接觸區(qū)域中產(chǎn)生隧道效應(yīng)的CB顆粒之間的隧道電阻Rt1。

圖12 單一碳基導(dǎo)電填料傳感器壓阻效應(yīng)原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of piezoresistive effect of a single carbon-based conductive filler sensor

單一CNT 組分添加時，CNT/PVP 傳感器中的CNT 可以在較低濃度時就形成導(dǎo)通的微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但是CNT 間接觸點較少，準接觸狀態(tài)的區(qū)域就更少，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中的有效隧穿通路十分有限，傳感器整體的壓阻靈敏度較低。然而在采用兩相碳基納米填料摻雜的情況下，除了CB和CNT 各自接觸形成的導(dǎo)電通路之外，隨機分布的CNT 還可以將均勻分布的CB 顆粒連接起來，以提供更多導(dǎo)電單元直接接觸的機會，準接觸狀態(tài)下產(chǎn)生的隧道電阻也增多。CB和CNT 之間的協(xié)同增強效應(yīng)在提升傳感器靈敏度的同時還可以降低傳感器導(dǎo)電填料的滲流閾值，而且在低導(dǎo)電填料和高力學性能兩方面達到平衡。圖13 是混合碳基導(dǎo)電填料傳感器壓阻效應(yīng)原理圖。

圖13 混合碳基導(dǎo)電填料傳感器壓阻效應(yīng)原理示意圖Fig.13 Principle diagram of piezoresistive effect of hybrid carbon-based conductive filler sensor

以下介紹碳基納米壓阻傳感器的工作原理。當施加外界載荷時，導(dǎo)電單元之間的距離在外力作用下發(fā)生變化，從而改變傳感器中有效導(dǎo)電路徑的數(shù)量；這使得碳基納米材料構(gòu)成的微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生變化，導(dǎo)電填料顆粒在高分子聚合物基體中發(fā)生位移并重構(gòu)整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當傳感器受到的載荷方向不同時，傳感器里的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有兩種相反的變化情況。當傳感器受到壓應(yīng)力時，導(dǎo)電單元之間的平均距離變小，更多的導(dǎo)電單元所在區(qū)域達到準接觸的狀態(tài)，因此形成更多的導(dǎo)電通路，傳感器的電阻降低；當傳感器受到拉應(yīng)力時，導(dǎo)電單元的平均距離增大導(dǎo)致導(dǎo)電通路減少，使部分直接接觸的導(dǎo)電單元脫離接觸狀態(tài)，同時使得部分構(gòu)成隧道電阻的節(jié)點斷開，因此傳感器電阻在一定程度上增大。將傳感器與被監(jiān)測結(jié)構(gòu)一體化集成后，當結(jié)構(gòu)受到一定的外界載荷時，通過測量與結(jié)構(gòu)集成一體的傳感器的電阻信號即可對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受載情況進行實時監(jiān)測。當外界載荷卸載時，傳感器中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到未加載之前的狀態(tài)，傳感器電阻也恢復(fù)到初始值。

當CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)受到外界載荷的作用時，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)會發(fā)生一定程度的變化，而在其發(fā)生失效時，這種狀態(tài)變化會加劇。將具有監(jiān)測應(yīng)變能力的碳基納米壓阻傳感器與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)一體化永久集成后，憑借其靈敏度和集成度高、制備簡單等優(yōu)點可以較為便捷地實現(xiàn)對連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)的健康監(jiān)測。CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)失效發(fā)生時，復(fù)合材料可能會出現(xiàn)不同程度的局部變形、分層、纖維斷裂和基體開裂等情況，在宏觀上表現(xiàn)為層合板的局部損傷或螺桿的彎曲變形等。這些狀態(tài)變化通過螺栓連接結(jié)構(gòu)傳遞到與其集成的碳基納米壓阻傳感器上，傳感器隨結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化而產(chǎn)生形變，傳感器內(nèi)部的部分導(dǎo)電路徑斷開，傳感器整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得稀疏，其電阻信號相較初始狀態(tài)有所上升。當層合板受到擠壓載荷時，復(fù)合材料中的纖維被壓縮，傳感器各部分材料隨纖維的壓縮而收縮，傳感器內(nèi)部形成一部分新的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，傳感器整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變得致密，其電阻信號相較初始狀態(tài)有所下降，由此就可通過碳基納米壓阻傳感器的電阻信號反映CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的健康狀況。

2.2 碳基納米壓阻傳感器的設(shè)計與制作

用于CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的碳基納米壓阻傳感器的設(shè)計需要考慮諸多因素的影響，同時需要結(jié)合不同失效模式的特點和傳感器的工作原理進行方案設(shè)計。在分析傳感器監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上制備具有優(yōu)異傳感性能的傳感器是首要問題，這可以保證傳感器對連接結(jié)構(gòu)監(jiān)測的靈敏度。傳感器組分配比及其與結(jié)構(gòu)集成區(qū)域的大小和位置、電極布設(shè)位置等都是影響連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測效果的因素。合適的傳感器組分配比保證了傳感器具有良好的機械性能和壓阻性能，傳感區(qū)域的大小和位置決定了傳感器監(jiān)測損傷敏感區(qū)域的范圍，傳感器的噴涂層數(shù)決定了傳感器的初始導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電極的位置決定了實際監(jiān)測的靈敏度。此外，螺栓緊固件的尺寸參數(shù)和螺栓的預(yù)緊力也影響著傳感器的初始狀態(tài)，也在一定程度上影響著傳感器的監(jiān)測靈敏度。

為了實現(xiàn)基于碳基納米壓阻傳感器的螺栓松動監(jiān)測目標，制作CB/PVP 壓阻傳感器的材料如下：選擇美國CABOT 公司型號為BP2000的CB（外觀呈黑色粉末狀，顆粒直徑15 nm，比表面積1500 m2/g）作為導(dǎo)電填料，北京Solarbio 公司提供型號為PVP–K30 的PVP（外觀呈白色粉末狀，相對分子質(zhì)量40000，純度≥95%，溶解性50 mg/mL）作為聚合物高分子基體。由于無水乙醇揮發(fā)性好、污染程度低，且具有良好的溶解能力，選擇其作為制備CB 和PVP混合油墨的有機溶劑；導(dǎo)電銀膠用于制作碳基納米壓阻傳感器中的電極，由美國SPI 公司提供。CB/PVP傳感器的制備過程如圖14 所示[36]，制備流程具體包括稱量溶解、機械攪拌處理、超聲水浴處理、磁力攪拌處理、噴涂成型和涂覆電極。

圖14 CB/PVP 碳基納米壓阻傳感器制備流程Fig.14 CB/PVP carbon-based nano-piezoresistive sensor preparation process

傳感器性能測試部分包括傳感器微觀表征、導(dǎo)電性能測試、壓阻性能測試等方面。使用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM）觀察具有不同CB 質(zhì)量分數(shù)的CB/PVP 傳感器中CB 粒子的分散狀態(tài)，使用數(shù)字源表的電阻測量功能測量具有不同質(zhì)量分數(shù)CB 的CB/PVP傳感器的電導(dǎo)率，使用推拉力計測試CB/PVP 傳感器在外界壓力載荷下的響應(yīng)穩(wěn)定性。將CB/PVP 傳感器噴涂在50 μm 厚的柔性聚酰亞胺（Polyimide，PI）薄膜上，用于靜態(tài)和循環(huán)壓力載荷測試傳感器的壓阻性能。

如圖15 所示，使用推拉力計測試了面積為30 mm×20 mm 的CB/PVP 傳感器在外界壓力載荷下的響應(yīng)穩(wěn)定性。圖16 展示了不同CB 質(zhì)量分數(shù)CB/PVP 傳感器的相對電阻（ΔR/R0）變化與壓強的關(guān)系。結(jié)果表明，具有不同CB 質(zhì)量分數(shù)的CB/PVP 傳感器的ΔR/R0都隨壓強的增加而減小。隨著壓強的增加，CB 顆粒相互靠近導(dǎo)致CB 顆粒之間的平均距離減小，更多的CB 顆粒從不接觸和準接觸狀態(tài)過渡到準接觸和直接接觸狀態(tài)，在傳感器中形成了更多導(dǎo)通的導(dǎo)電路徑，傳感器中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相較于初始狀態(tài)發(fā)生重構(gòu)并變得致密，傳感器的ΔR/R0不斷增大。此外，從圖16 中可以看出，傳感器的最大相對電阻變化量隨著CB 質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，其中質(zhì)量分數(shù)18%、20%、25%、30% 的CB/PVP 最大相對電阻變化量分別為–30.5%、–41.5%、–45.1%、–58.3%，在同樣的壓力載荷下30% 的CB/PVP 的靈敏度最高。這是由于外部壓力載荷增加時，具有高CB 質(zhì)量分數(shù)的CB/PVP 傳感器中會有更多的導(dǎo)電粒子狀態(tài)發(fā)生變化，因此產(chǎn)生更多的導(dǎo)電路徑以增大傳感器的相對電阻變化。

圖15 傳感器壓力測試設(shè)備Fig.15 Sensor pressure test equipment

圖16 不同CB 質(zhì)量分數(shù)CB/PVP 傳感器的相對電阻變化與壓強的關(guān)系Fig.16 Relative resistance change versus pressure for CB/PVP sensors with different CB mass fractions

針對CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效模式監(jiān)測目標，需要使用對結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化更為敏感的壓阻傳感器。選用CB 和CNT 作為混合碳基填料構(gòu)建納米壓阻傳感器中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以充分利用其各自的理化特性，在降低傳感器滲流閾值的同時，還可以通過導(dǎo)電填料顆粒之間的不同特性構(gòu)建更為高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以提供給傳感器更高的響應(yīng)靈敏度。CB&CNT/PVP 傳感器的制作流程及力學性能測試與上文描述的CB/PVP 傳感器類似。

2.3 碳基納米壓阻傳感器的螺栓連接結(jié)構(gòu)松動監(jiān)測試驗驗證

CB/PVP 傳感器與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的一體化集成方案如圖17所示。CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如下：層合板長度135 mm、寬度36 mm、厚度3 mm、夾持區(qū)域長度75 mm；螺栓孔直徑6 mm、端距18 mm、螺桿規(guī)格M6、螺桿長度30 mm、兩種墊片參數(shù)18 mm（外徑）×1.5 mm（厚度）和25 mm×1.5 mm。碳基納米壓阻傳感器有多種成型方式，如浸涂、噴涂和電泳沉積等。本文通過噴涂成型將具有最佳靈敏度的30% CB/PVP 傳感器與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)集成。如圖17 所示，CB/PVP 傳感器的噴涂區(qū)域為35 mm×35 mm，為了提供用于監(jiān)測CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)松動的高靈敏度碳基納米壓阻傳感器，在CFRP 層壓板上設(shè)置了兩種電極布設(shè)方案，包括覆蓋整個墊片傳感區(qū)域的電極方案A 和涉及墊片局部較少傳感區(qū)域的電極方案B。此外，在傳感器和層壓板之間添加一層10 μm 厚的丙烯酸樹脂材料作為絕緣層，以避免CFRP 層合板引起傳感器的短路。

圖17 CB/PVP 傳感器與CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的一體化集成方案Fig.17 Integrated solution of CB/PVP sensor and CFRP bolted joints

采用圖15 所示的推拉力計對不同電極布設(shè)方案下傳感器相對電阻變化與壓力載荷之間的關(guān)系進行測量，其結(jié)果如圖18 所示?？梢钥闯?，在相同的壓強下，使用電極方案A 和電極方案B 的傳感器最大相對電阻變化分別為–59.8%和–30.3%。采用覆蓋整個墊片區(qū)域的電極方案A 的傳感器比采用只覆蓋部分墊片區(qū)域的電極方案B 的傳感器更加靈敏，且電極方案A 的傳感器相對電阻變化比電極方案B 的高29.5%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是覆蓋整個墊片區(qū)域的電極布設(shè)方案A 的傳感區(qū)域內(nèi)包含了更多導(dǎo)電填料，使其在隨著壓力載荷增加的同時產(chǎn)生更多導(dǎo)電路徑，由此引起傳感器更靈敏的響應(yīng)，即獲得更大的相對電阻變化。

圖18 兩種電極布設(shè)方案下CB/PVP 傳感器響應(yīng)情況Fig.18 Response of CB/PVP sensor with two electrode placement schemes

采用數(shù)字源表、扭矩扳手和實時電阻測量輸出軟件，開展CB/PVP 傳感器的CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)松動監(jiān)測試驗。對于兩種電極布設(shè)方案，分別使用外徑為25 mm 和18 mm 的兩種墊片。CB/PVP 傳感器的相對電阻變化隨扭矩的變化關(guān)系如圖19所示，在兩種電極布設(shè)及兩種不同外徑墊片情況下，傳感器相對電阻變化均隨施加在CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)上扭矩的增加而明顯降低；可以看出，CB/PVP 傳感器對CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)松動監(jiān)測具有較高的靈敏度。傳感器在墊片外徑為25 mm 時的靈敏度高于墊片外徑為18 mm時靈敏度，最大相對電阻變化分別相差25.8%和11.6%。在施加相同的扭矩下，電極方案A 獲得的相對電阻變化顯著高于電極方案B，這與圖18 中的試驗結(jié)果一致。試驗結(jié)果表明，本文所提出的傳感器集成方案和電極布設(shè)方案在應(yīng)用于CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動監(jiān)測方面具有較高的可行性和有效性，同時在不同尺寸緊固件參數(shù)下同樣適用。

圖19 CB/PVP 傳感器的相對電阻變化隨扭矩的變化關(guān)系Fig.19 Relative resistance variation of CB/PVP sensors versus torque

3 展望及討論

本文提出了基于柔性渦流傳感陣列薄膜和基于碳基納米壓阻傳感器的兩種傳感監(jiān)測技術(shù)，以實現(xiàn)對先進碳纖維增強復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)不同損傷模式的辨識和損傷參數(shù)的定量化監(jiān)測。相比于超聲導(dǎo)波等傳統(tǒng)監(jiān)測方法，它們具有更高的集成度且適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。本文在實驗室環(huán)境下對兩種傳感器的監(jiān)測功能進行了驗證，但是將其推廣應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)，后續(xù)還有很多研究工作需要深入開展。通過以下5 點具體討論。

（1）在基于柔性渦流傳感陣列薄膜的螺栓連接結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中，預(yù)緊力、溫度、濕度等因素必定對監(jiān)測信號造成影響，因此需要研究在處理監(jiān)測結(jié)果時對環(huán)境因素的補償方法。

（2）對于兩種傳感監(jiān)測技術(shù)，本文都只驗證了當結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)改變時（結(jié)構(gòu)損傷與螺栓松動等發(fā)生）傳感器的輸出隨之變化，有關(guān)損傷監(jiān)測靈敏度、精度、量程等傳感器指標有待進一步研究。

（3）實際工程應(yīng)用中，特別是應(yīng)用于多螺栓連接結(jié)構(gòu)時，需要對傳感器的走線及信號傳輸方式進行改進，進一步增強其與螺栓連接結(jié)構(gòu)的集成一體化，使其具有較好的工程適用性。

（4）本文所提出的兩種傳感監(jiān)測技術(shù)除了可用于CFRP 螺栓連接結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測外，同樣可應(yīng)用于各向同性的金屬連接結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，但柔性渦流傳感陣列薄膜只能用于具有較好導(dǎo)電性能的連接結(jié)構(gòu)。

（5）墊片的外徑影響碳基納米壓阻傳感器的靈敏度，主要是由于在相同的扭矩下，墊片外徑較大時，覆蓋的傳感器區(qū)域較大，而碳基納米壓阻傳感器在較小壓強時的靈敏度較高。

4 結(jié)論

通過本文研究工作獲得的主要結(jié)論如下。

（1）由1 個激勵線圈及多個獨立工作的接收線圈組成柔性渦流陣列傳感薄膜，通過緊貼螺桿完成與復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)一體化集成后，可對連接結(jié)構(gòu)沿孔邊徑向、軸向方向擴展的損傷進行有效監(jiān)測。

（2）針對渦流陣列傳感薄膜提出了兩種不同的激勵線圈電流流向方案，研究了兩種電流流通方式對復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)孔邊損傷的監(jiān)測能力的影響，試驗結(jié)果表明，當相鄰激勵子線圈電流流向相同時針對孔邊損傷的監(jiān)測效果較好。

（3）設(shè)計制作了具有優(yōu)異性能的CB/PVP 和CB&CNT/PVP 壓阻傳感器，使用噴涂成型工藝將傳感器與螺栓連接結(jié)構(gòu)一體化集成，并通過設(shè)計合理的傳感器電極布局方案將螺栓連接結(jié)構(gòu)的扭矩變化信息有效轉(zhuǎn)換為傳感器的電阻信號變化，表明CB/PVP 等壓阻傳感器電阻信號能靈敏響應(yīng)螺栓連接結(jié)構(gòu)的扭矩變化。

（4）研究了不同墊片尺寸下CB/PVP 壓阻傳感器對螺栓松動的響應(yīng)情況，試驗結(jié)果表明，CB/PVP 壓阻傳感器電阻信號能靈敏感知不同墊片尺寸螺栓連接結(jié)構(gòu)的扭矩變化，且傳感器在墊片尺寸較大情況下表現(xiàn)出較高的靈敏度。