基于微纳传感器的复合材料单搭接结构循环载荷的监测

张东旭，吕 伟，卢少微，马克明，王晓强，马子昂

(沈阳航空航天大学 a.航空宇航学院，b.材料科学与工程学院，沈阳 110136)

在对复合材料健康状况分析中，除了有限元方法，还有一些其他的方法给予人们新的选择。Na等[10]提供了一种压电传感器的无损检测方法，可用于对复合材料服役状态的分析。Kim等[12]提出用一种聚偏氟乙烯薄膜传感器实现对单搭接接头的疲劳损伤的监测，从而分析其受力状态。

本文采用多壁碳纳米管(MWCNT)薄膜和类石墨烯/油墨(MXene/ink)两种微纳传感器，实现对玻璃纤维增强的复合材料单搭接接头在循环载荷状态下的实时监测，从而分析单搭接接头的受力状态。

1 实验

1.1 碳纳米管薄膜和类石墨烯传感器的制备

从中国科学院成都有机化学有限公司购得MWCNTs(直径:8～15 nm，长度:50 μm，纯度:98%)后，将300 mg MWCNTs和10 ml TritonX-100加入100 ml 去离子水中制成浓度为3 mg/ml的分散液，将分散液在超声波仪中以功率在90 W下超声3次(每次40 min)，再以3 000 r/min的转速离心40 min，之后将碳纳米管分散液喷射在孔径为0.45 μm的滤膜上，经真空抽滤后将薄膜成型在滤纸上,如图1所示。在80 ℃环境中烘干2.5 h后，将薄膜从滤纸上剥离下来，制成传感器,具体的制备工艺参数如表1所示。

表1 MWCNT薄膜传感器的制备工艺

图1 碳纳米管传感器制备流程

制备MXene/ink微纳传感器的方法是将MXene分散在油墨中，制备流程如图2所示。油墨主要包含少量天然树脂、合成树脂、纤维素、橡胶衍生物等。将干燥的MXene粉末加入到二甲基亚砜(DMSO)中，使用磁力搅拌器将其在室温环境下搅拌(180 r/min)20 min，然后超声分散20 min(60 W)，确保MXene在DMSO中完全分散。再将一定质量分数的油墨逐滴滴入MXene和DMSO的混合物中，搅拌1 h(180 r/min)，然后使用超声波仪超声混合物40 min(60W)，使MXene和油墨实现充分融合。最后，将所得产物放在80 ℃真空烘箱中烘干20 min，去除残留的DMSO。使用喷枪将所得混合液喷射到模具上，空冷12 h，最终制得MXene/ink微纳传感器(油墨传感器)。

图2 类石墨烯油墨传感器制备流程

1.2 试件制备过程

参考GB/T33334-2016，将玻璃纤维/环氧树脂单向预浸料(型号CFB-17500)裁成25 mm×120 mm的矩形基材，采用人工铺层方式，将基材铺层16层。两个基材搭接区域面积为25 mm×40 mm。将两个碳纳米管薄膜传感器(BP)分别放置在两基材搭接区域中部和边缘位置，如图3所示。将铺层好的预浸料试件放置在小型模压机中模压成型，成型压力2 MPa，温度120 ℃，固化2 h后，让试件冷却至室温。随后，将油墨传感器喷涂在制得的试件搭接区域中部和搭接附近区域，如图4所示。为保证试件测试时所加载荷处于试件的搭接界面层，加强片是在试件制成后用环氧树脂粘接上的。

图3 单搭结构BP位置示意图

图4 试件喷涂油墨传感器示意图

1.3 实验测试

将商用应变片(型号BX120-3AA)用502胶水粘结在试件搭接区域中部和搭接区域附近，如图5所示，图5中标明的搭接附近应变片用于数据分析。应变通过DH3821静态应变测试分析系统采集，传感器的电阻通过FLUKE 2638A数字电阻仪实时记录。将单搭接接头试件置于GOTECH AI-7000-LA-20型伺服控制拉伸试验机上进行循环加载试验，如图5所示。在试验机上设定循环加载，每次试验所加载荷分别为3、4.5、6 kN连续3个载荷，每个载荷循环连续3次，试验加载速率分别为0.1、1 mm/min。

图5 试件油墨传感器、应变片分布和加载示意图

2 结果与讨论

2.1 碳纳米管和MXene/ink微观表征

图6展示了碳纳米管薄膜宏观形状和碳纳米管微观形貌。图6a呈现了碳纳米管薄膜的宏观形状，薄膜直径大约有100 mm，厚度约50 μm。从图6b中能够清晰看出，碳纳米管纵横交错构成的网状微观形貌。碳纳米管可分散在树脂中，如图7所示。

MXene/ink中主要成分是MXene，而层状结构是MXene的典型特征，也是构成导电网络的主要承担者。图8展示了MXene/ink和树脂固化后的微观表征，可以看到分布在树脂中的MXene层状结构。

图8 MXene的层状结构示意图

图7 分散在树脂中的碳纳米管示意图

2.2 碳纳米管和MXene/ink的传感机理

碳纳米管分散在树脂中后，传感器的电阻构成中除了碳纳米管本身电阻RI外，主要还有接触电阻RC。而RC包括碳纳米管直接接触构成的电阻RDC和碳纳米管之间树脂绝缘薄膜的存在纳米管与纳米管之间因隧穿效应形成的隧穿电阻RT，如图9所示。碳纳米管传感器的总电阻RS可以用式(1)表达[14]

图9 CNT导电机理示意图

RS=RI+RC

(1)

由于碳纳米管本身模量很高，试件受力变形中，碳纳米管自身的形变可以忽略。因此，单搭接接头试件在拉伸过程中，碳纳米管传感器的电阻变化主要由RC来承担。

MXene/ink传感器的导电网络主要由MXene的微观层状纳米片导电结构承担，如图10所示。低应变时，MXene纳米片之间的错动引起接触电阻的改变；而当应变增大时，纳米片之间产生间隙，此时存在的隧穿效应承担了传感器电阻的变化[15]。

图10 MXene导电机理示意图

本文定义了传感器的电阻变化率(ΔR/R)，公式如下

(2)

其中R为试件测试过程中传感器的实时电阻，R0为试件测试前传感器的初始电阻。

2.3 单搭接接头试件的循环加载实验

试件循环加载试验分别为3、4.5、6 kN 3个载荷，第一次循环加载速率为0.1 mm/min，第二次循环加载速率为1 mm/min。数据分析的3个主要方面为传感器ΔR/R、搭接附近应变和搭接区域的平均应力。

第一次循环加载速率为0.1 mm/min时，3、4.5、6 kN 3个载荷循环下，各个传感器ΔR/R随时间变化关系如图11所示。对于BP和MXene/ink而言，同等载荷下的3个循环中，峰值和谷值都无法回复到相同值，这说明，在试件制成后，试件的搭接区域和试件表面存在残余应力，应力场分布不均匀。在第一次循环加载过程中，载荷抵消掉残余应力后会使应力场重新分布，应力场不均匀导致了传感器的峰值和谷值在同样载荷下无法回复到相同值。对于搭接区域的BP而言，在3个载荷加载过程中，中部BP的ΔR/R始终比边缘的BP要大。中部BP在3个载荷循环中的最大峰值分别为0.064 23%、0.104 96%、0.123 85%，而边缘BP相应的最大峰值分别为0.011 94%、0.031 63%、0.066 65%。这表明搭接区域中部的剪切应力要比搭接边缘区域的大。

图11 加载速率0.1 mm/min时BP和MXene/ink电阻变化率-时间关系

边缘MXene/ink的ΔR/R峰值在3 kN循环载荷下分别为21.55%、22.83%、23.12%，三者最大相差为1.57%；在4.5 kN循环载荷下分别为27.60%、28.21%、28.78%，三者最大相差为1.18%；在6kN循环载荷下分别为32.30%、34.73%、36.44%，其相差最大为4.14%。

加载速率为0.1 mm/min时，3、4.5、6 kN 3个载荷循环下中部BP、中部MXene/ink、搭接附近应变和平均应力关系如图12所示。3 kN循环载荷下，中部BP的ΔR/R峰值逐步升高，分别为0.055 52%、0.056 45%和0.064 23%，三者最大相差为0.008 71%；而中部MXene/ink的峰值逐步降低，分别为0.049 72%、0.036 31%和0.033 69%，三者最大相差为0.016 03%。中部BP的峰值逐步升高，说明了该BP所在区域存在残余拉应力，外部拉伸载荷和残余拉应力共同作用，使峰值逐步升高。中部MXene/ink的ΔR/R峰值逐步降低，意味着中部MXene/ink所在位置存在残余压应力，施加外部拉伸载荷时，残余压应力会抵消掉一部分载荷，外部载荷和残余压应力共同作用使得其ΔR/R峰值逐渐减小。

图12 加载速率0.1 mm/min时中部BP、中部MXene/ink、搭接附近应变、应力-时间关系

当循环载荷为4.5 kN时，中部BP的ΔR/R峰值逐步降低，分别为0.104 96%、0.099 70%、和0.087 69%，三者最大相差为0.017 27%；中部BP峰值逐步降低，说明4.5 kN的循环载荷可使残余拉应力逐步释放掉，残余拉应力越来越小，因此峰值逐步降低。中部MXene/ink的ΔR/R峰值逐步略有升高，分别为0.060 71%、0.067 29%、和0.071 97%，其最大相差为0.011 26%。中部MXene/ink峰值略有升高说明4.5 kN循环载荷下可使MXene/ink所在搭接中部区域的残余压应力逐步释放掉，残余压应力的影响越来越小，因此峰值逐步升高。

当循环载荷为6 kN时，由于之前载荷下试件的残余应力被释放掉许多，因此中部BP峰值之间和MXene/ink峰值之间相差减小了许多。中部BP的ΔR/R峰值分别为0.123 85%、0.115 99%和0.109 30%，最大最小值相差0.014 55%，相比4.5 kN载荷时的0.017 27%减小了许多。中部MXene/ink峰值分别为0.106 38%、0.111 73%和0.116 15%，最大最小之间相差0.009 77%，比4.5 kN载荷时的0.011 26%减小明显。峰值之间波动减小到0.01%左右，说明残余应力对6 kN载荷循环的影响可以忽略。

第一次加载速率为0.1 mm/min循环加载过程中，3 kN载荷时，搭接附近应变达到约1 787 με，平均应力约为3.01 MPa；4.5 kN载荷时，搭接附近应变达到约2 434 με，平均应力约为4.5 MPa；6 kN载荷时，搭接附近应变达到约3 023 με，平均应力约为6.00 MPa。

第二次循环加载速率为1 mm/min时，3、4.5、6 kN 3个载荷循环下，各个传感器ΔR/R随时间变化相互关系如图13所示。由于第一次3个循环加载下，试件残余应力被释放了许多，因此第二次加载过程中，3、4.5、6 kN 3个载荷循环中各个传感器的ΔR/R峰值波动明显较第一次小了许多。此时对于搭接区域的BP而言，在3个载荷加载过程中，中部BP的ΔR/R仍然比边缘的BP要大。中部BP在3、4.5、6 kN 3个载荷循环中的最大峰值分别为0.073 78%、0.119 80%、0.159 04%，而边缘BP相应的最大峰值分别为0.051 80%、0.085 27%、0.119 33%。中部BP的ΔR/R都高于边缘BP，更加印证了试件承载过程中，搭接区域中部剪切应力比边缘位置要大许多。

图13 加载速率1mm/min时BP和MXene/ink电阻变化率-时间

边缘MXene/ink的ΔR/R峰值在3 kN循环载荷下分别为26.577 63%、26.570 7%、26.444 58%；在4.5 kN时分别为31.152 56%、31.068 26%、31.544 89%；在6 kN时分别为35.985 43%、36.579 56%、37.103 36%。其ΔR/R峰值在3 kN循环载荷下最大相差为0.13%，在4.5 kN时为0.48%，在6 kN时为1.12%。

图14是加载速率为1 mm/min时，3、4.5和6 kN 3个载荷循环下中部BP和中部MXene/ink的ΔR/R、搭接附近应变和搭接区域平均应力关系。3 kN循环载荷下，中部BP的ΔR/R峰值分别为0.073 78%、0.071 03%、0.071 84%；三者最大相差为0.002 75%。中部MXene/ink峰值分别为0.081 55%、0.071 08%、0.075 75%，三者最大和最小之差为0.010 47%。

图14 加载速率1mm/min时中部BP和MXene/ink电阻变化率、搭接附近应变、应力-时间关系

4.5 kN循环载荷下，中部BP的ΔR/R峰值分别为0.107 53%、0.118 23%、0.119 80%，三者最大相差0.012 27%。中部MXene/ink峰值分别为0.103 91%、0.104 93%、0.108 55%，三者中的最大相差0.004 64%。

6 kN循环载荷下，中部MXene/ink的ΔR/R的峰值分别为0.132 69%、0.143 07%、0.143 32%，三者最大相差为0.010 63%，而相比于0.1 mm/min加载速率6 kN循环载荷时的0.009 77%，两者相差0.000 86%，此数值为实验可接受误差，说明此时中部MXene/ink传感器所在位置已基本没有残余应力。中部BP峰值分别为0.156 11%、0.157 6%、0.159 04%，三者最大相差为0.002 93%，相比于0.1 mm/min加载速率下同等载荷下的0.014 55%减小明显，峰值最大相差不足0.003%的差值完全可接受，表明第二次6 kN循环加载时搭接区域内部已基本不存在残余应力。

第二次加载时，3 kN载荷下，搭接附近应变达到约1 882 με；4.5 kN载荷下，搭接附近应变达到约2 542 με；6 kN载荷下，搭接附近应变达到约3 173 με。

中部BP、中部MXene/ink、边缘MXene/ink在两次加载下3、4.5、6 kN载荷时峰值最大差值与载荷关系，如图15～图17所示。第二次加载时中部BP和边缘MXene/ink峰值最大差值相比于第一次时明显降低。中部BP峰值最大差值在3、4.5、6 kN循环载荷下分别降低了0.005 96%、0.005 00%、0.011 62%；边缘MXene/ink在相应处分别降低了1.44%、0.70%、3.02%。这充分表明，第二次加载时，此两传感器所在处的残余应力减小明显。中部MXene/ink峰值最大差值在第二次加载的3、4.5 kN载荷下分别减小了0.005 59%、0.006 62%，而在6 kN载荷处0.009 77%和0.010 63%之间相差无几，这表明此时搭接件相应处残余应力已被基本释放掉了。

图15 中部BP峰值最大差值与载荷关系

图16 中部MXene/ink峰值最大差值与载荷关系

图17 边缘MXene/ink峰值最大差值与载荷关系

3 结论

文中所提及的数值模拟无法实现对复合材料搭接结构应力状态的实时监测，而聚偏氟乙烯薄膜传感器无法对结构内部的应力状态进行有效地实时监测。本文通过MWCNT和MXene/ink两种传感器实现了对玻璃纤维单搭接结构在不同循环载荷、不同位置应力状态下的实时监测。本文得出以下结论：在静态拉伸过程中，接头搭接区域中部剪切应力比边缘位置大，试件上的残余应力会随着循环载荷的加载逐渐减小，同时说明两种传感器具有监测残余应力的潜力。