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（四）

薄层复合传感器已被开发为一种用于视觉指示过载的可行方法。这些传感器使用商用预浸料制成，传感机制通过断裂激活。图19显示了由高应变材料和低应变材料制成的三层单向混合层压板中不同类型的损伤。应变过载导致的损伤可肉眼观测（见图19（c））。这是通过选择适当的材料特性、相对低应变材料与高应变材料的厚度以及低应变材料的绝对厚度来实现的。

图19：由高应变材料和低应变材料制成的三层单向混合层压板中不同类型的损伤

图20显示了两种不同设计的单向复合传感器，其中视觉变化是通过专门设计的玻璃/碳-环氧树脂复合材料，设定其薄夹层的应变值。光线通过半透明玻璃层并被碳层吸收，从而产生黑色的外观。图20（a）所示，入射光从碳层断裂周围局部受损的玻璃/碳界面反射，产生光条纹。图20（b）显示了较厚碳层中的另一种失效类型：单一断裂后分层。两种损伤情况都可以很直观的描述出来。

图20：两种不同设计的单向复合传感器

通常，薄层复合传感器直接粘结到结构表面（见图23）。通过组合不同的传感材料，使它们可以根据损伤程度提供更清晰的显示。此外，通过设计定向于可以监测过载方向。例如安装在部件上的传感器承受与材料相同的应变。

图23：薄层复合传感器直接粘结到结构表面

与前面章节中回顾的其他自动反馈系统不同的是，玻璃/碳混合传感器的简单性和实用性导致它们在SHM中的相对快速应用。例如，一组短和长由单层XN80/EPOXY制成的传感器应用于一些商用CFRP自行车把手。图24显示了测试结构，这里长传感器的激活点在1500 N和2000 N。图还显示了根据欧洲标准（EN14781）规定的负载（1000 N）用于测试车把受力情况。测试结果表明，传感器没有引起任何明显的刚度增加。

图24：一组短和长由单层XN80/EPOXY制成的传感器应用于一些商用CFRP自行车把手的测试结果

在静态拉伸测试当中，图27显示了由试样中心断裂分层导致的外观变化，，证明传感器具有自动反馈的能力。复合传感器也用于检测BVID对层压板的机械性能的显著影响，特别是抗压强度，与未损坏的层压材料相比可降低60%。

图27：复合传感器承受不断增加的载荷：（a）195 MPa；（b）197 MPa；（c）304MPa；（d）336MPa；（e）340MPa

3.总结和未来研究方向

近年来，SHM逐渐成为一个多学科领域寻求新方法以提高材料使用寿命和工程系统维护。科学家们正在开发新的SHM方法，广泛应用于复合材料中。其中光学图案如不同的颜色可能与不同的损伤程度有关。这项技术传统SHM方法有以下优点：首先，它是无线的，不需要任何数据采集系统；其次，它重量轻、环保；第三，它可在系统运行期间实时反馈结果，可显著提高材料结构的耐久性。本综述并重点介绍了通过分类基于化学和物理的传感器设计的自动反馈机械变色聚合物复合材料，重点关注其在SHM的应用。

化学传感器中，基于染料填充材料的机械变色是第一种方法，含染料的试剂（如微胶囊）嵌入所需的系统中，当材料损伤导致它破裂并释放荧光物质。这种方法的优点是它易于实现。双壁胶囊是最好的选择，其在另一个更大的胶囊中包含一个较小的胶囊，与其他封装方法相比显示出在SHM中更好的应用前景。

化学传感器的第二种自动反馈方法基于改性聚合物和纤维材料，其中所需的机械载体被添加到复合材料中以使其功能化。该方法通过添加AIE分子来实现在纳米尺度上的分析材料损伤。然而该方法的应用仍有待研究，特别是在加工时将机械变色荧光分子添加到聚合物基质的工艺。

基于物理的传感器的第一种方法是通过结构彩色材料，其中不同波长的光与这种结构可以在各种方向上产生衍射和干涉，从而产生彩虹色。结构颜色材料根据结构尺寸和折射率而变化，因此，一组材料可以产生各种颜色使这些材料比基于化学的颜色传感器更环保。但当前的结构颜色材料的可扩展性和成本效益还有待研究。此外，它们的SHM响应主要取决于光波发射的角度，阻碍了传感器的实际应用。

第二种基于物理的方法与复合层的概念，其中来自界面损伤的反射光两层之间可以作为检测损伤的视觉标志。这种方法的制造过程比以前的方法简单，此外，这些传感器可以设计成方向相关。这些玻璃/碳复合传感器简单且易于实施，因此用于SHM的潜力巨大。该方法在损伤中的应用实例是自行车车把的损伤检测。复合传感器仅为静态过载传感而开发，由于碳纤维本身低应变，导致其操作不是可逆的。未来的研究可能涉及在BVID检测中为不同损伤的起始确定更精确的极限受力值。此外，复合传感器应在各种条件下进一步测试，以便高性能传感器具有面向功能设计制造的能力。

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