自动反馈机械变色系统用于复合材料结构健康监测的研究进展（一）

近期，机械色度系统（SHM）对复合材料结构健康监测的研究非常热门，该技术应用于各种行业，如民用、风力和航空航天，以提高复合材料使用的安全性和结构完整性。基于聚合物复合材料，机械色度系统（SHM）为复合材料提供了一种重量轻的传感器易于视觉提示。本文综述了机械变色用于复合材料结构检测的方法，并讨论了该领域未来的发展前景。设计原则和主要基于物理和化学机制的前沿应用，即基于染料填充材料、改性聚合物、结构颜色材料和智能混合复合传感器的机械变色。这些新兴的传感器创造了新一代用户友好、廉价且无需额外电源的SHM检测系统，保证了经济和技术优势将为创新、更安全、更轻的复合材料产品开辟新的领域，并显著降低后期维护成本。

1.引言

纤维增强聚合物（FRP）复合材料广泛应用于各种行业，如民用、航空航天、生物医学、风力涡轮机、汽车、医疗等，适用于恶劣的使用条件，如温度波动、湿度、强风、紫外线照射、腐蚀等。此外，玻璃和碳纤维增强聚合物（GFRP）和（CFRP）复合材料拥有优异的抗冲击和抗疲劳性能。例如，低速撞击可能不会在表面上造成任何可视损伤，但有可能引起材料内部损伤。这种内部冲击引起的损伤，通常称为勉强可见的冲击损伤（BVID），将可能导致严重的结构损坏和意外故障。在这种情况下，无损检测（NDE）技术已经发展到在大型关键结构中，能够检测到需要维修或更换的区域。无损检测方法通常用于损伤后分析，且费时费力。

结构健康监测（SHM）可以代替无损检测方法，其定义为利用传感器阵列，实现观察使用过程中的材料，以确定材料结构健康的实时状态。这些传感器可以安装在材料表面，也可以在复合材料制造中安装在其内部。 SHM系统相关研究文献表明，不同SHM的组合必须使用不同的方法来确保对复杂的实际情况进行可靠的结构监测。超声扫描是最常见的方法之一，在实验室规模下此方法可以很精确的反应材料结构，但在实际生产中，其可靠性有待商榷。光纤传感器也是一种常用的方法。但它们需要大量的布线，而且相当容易断裂，并且在复合材料层压板中结合时也会导致材料应力集中。因此，开发新的SHM技术对于可靠和经济高效的监测确保安全并延长其使用寿命意义重大。

自动反馈机械变色复合材料的反馈机制是通过可视的结构完整性通过进一步保护部件或采取措施修复部件，可以做到及时响应损坏。自动反馈机械变色技术优于其他SHM技术的两大优势是完全可以无线工作和无需数据采集。利用自动反馈机械变色技术可能会设计出新型传统传感器。例如，FRP已经用作结构或增强材料的复合材料可以被设计为既起到增强作用又起到SHM的作用，无需安装额外的传感器，或用含有荧光官能团的玻璃纤维可以是嵌入环氧树脂中，用作指示器。

自动反馈是感知并反馈其自身状态，如损坏、变形或温度等各种刺激，如热、压电、机械或化学变化，而自动修复是在受损时自动恢复结构完整性的能力。自动反馈和自我修复机制有可能实现新型智能材料的开发。智能复合材料可以是设计为自动反馈和自我修复的双重功能，然而，本文的主要焦点是自动反馈特性。

自动反馈机械变色复合材料，代表在视觉检查方法向前迈进，并且是一个跨学科的研究主题，最近的综述对这一主题提供了不同的见解。然而，据我们所知，目前还没有讨论和比较最实用的机械变色设计和制造方法，考虑它们在不同工程结构的SHM中的应用潜力和在未来应用的可能性。因为篇幅有限，本文的重点是探讨自动反馈机械变色聚合物复合材料，当受到物理刺激时，改变其荧光或其他光学特征（吸收、发射、折射率等）。

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