基于微納傳感器的復合材料單搭接結構循環載荷的監測

張東旭，呂 偉，盧少微，馬克明，王曉強，馬子昂

(沈陽航空航天大學 a.航空宇航學院，b.材料科學與工程學院，沈陽 110136)

在對復合材料健康狀況分析中，除了有限元方法，還有一些其他的方法給予人們新的選擇。Na等[10]提供了一種壓電傳感器的無損檢測方法，可用于對復合材料服役狀態的分析。Kim等[12]提出用一種聚偏氟乙烯薄膜傳感器實現對單搭接接頭的疲勞損傷的監測，從而分析其受力狀態。

本文采用多壁碳納米管(MWCNT)薄膜和類石墨烯/油墨(MXene/ink)兩種微納傳感器，實現對玻璃纖維增強的復合材料單搭接接頭在循環載荷狀態下的實時監測，從而分析單搭接接頭的受力狀態。

1 實驗

1.1 碳納米管薄膜和類石墨烯傳感器的制備

從中國科學院成都有機化學有限公司購得MWCNTs(直徑:8～15 nm，長度:50 μm，純度:98%)后，將300 mg MWCNTs和10 ml TritonX-100加入100 ml 去離子水中制成濃度為3 mg/ml的分散液，將分散液在超聲波儀中以功率在90 W下超聲3次(每次40 min)，再以3 000 r/min的轉速離心40 min，之后將碳納米管分散液噴射在孔徑為0.45 μm的濾膜上，經真空抽濾后將薄膜成型在濾紙上,如圖1所示。在80 ℃環境中烘干2.5 h后，將薄膜從濾紙上剝離下來，制成傳感器,具體的制備工藝參數如表1所示。

表1 MWCNT薄膜傳感器的制備工藝

圖1 碳納米管傳感器制備流程

制備MXene/ink微納傳感器的方法是將MXene分散在油墨中，制備流程如圖2所示。油墨主要包含少量天然樹脂、合成樹脂、纖維素、橡膠衍生物等。將干燥的MXene粉末加入到二甲基亞砜(DMSO)中，使用磁力攪拌器將其在室溫環境下攪拌(180 r/min)20 min，然后超聲分散20 min(60 W)，確保MXene在DMSO中完全分散。再將一定質量分數的油墨逐滴滴入MXene和DMSO的混合物中，攪拌1 h(180 r/min)，然后使用超聲波儀超聲混合物40 min(60W)，使MXene和油墨實現充分融合。最后，將所得產物放在80 ℃真空烘箱中烘干20 min，去除殘留的DMSO。使用噴槍將所得混合液噴射到模具上，空冷12 h，最終制得MXene/ink微納傳感器(油墨傳感器)。

圖2 類石墨烯油墨傳感器制備流程

1.2 試件制備過程

參考GB/T33334-2016，將玻璃纖維/環氧樹脂單向預浸料(型號CFB-17500)裁成25 mm×120 mm的矩形基材，采用人工鋪層方式，將基材鋪層16層。兩個基材搭接區域面積為25 mm×40 mm。將兩個碳納米管薄膜傳感器(BP)分別放置在兩基材搭接區域中部和邊緣位置，如圖3所示。將鋪層好的預浸料試件放置在小型模壓機中模壓成型，成型壓力2 MPa，溫度120 ℃，固化2 h后，讓試件冷卻至室溫。隨后，將油墨傳感器噴涂在制得的試件搭接區域中部和搭接附近區域，如圖4所示。為保證試件測試時所加載荷處于試件的搭接界面層，加強片是在試件制成后用環氧樹脂粘接上的。

圖3 單搭結構BP位置示意圖

圖4 試件噴涂油墨傳感器示意圖

1.3 實驗測試

將商用應變片(型號BX120-3AA)用502膠水粘結在試件搭接區域中部和搭接區域附近，如圖5所示，圖5中標明的搭接附近應變片用于數據分析。應變通過DH3821靜態應變測試分析系統采集，傳感器的電阻通過FLUKE 2638A數字電阻儀實時記錄。將單搭接接頭試件置于GOTECH AI-7000-LA-20型伺服控制拉伸試驗機上進行循環加載試驗，如圖5所示。在試驗機上設定循環加載，每次試驗所加載荷分別為3、4.5、6 kN連續3個載荷，每個載荷循環連續3次，試驗加載速率分別為0.1、1 mm/min。

圖5 試件油墨傳感器、應變片分布和加載示意圖

2 結果與討論

2.1 碳納米管和MXene/ink微觀表征

圖6展示了碳納米管薄膜宏觀形狀和碳納米管微觀形貌。圖6a呈現了碳納米管薄膜的宏觀形狀，薄膜直徑大約有100 mm，厚度約50 μm。從圖6b中能夠清晰看出，碳納米管縱橫交錯構成的網狀微觀形貌。碳納米管可分散在樹脂中，如圖7所示。

MXene/ink中主要成分是MXene，而層狀結構是MXene的典型特征，也是構成導電網絡的主要承擔者。圖8展示了MXene/ink和樹脂固化后的微觀表征，可以看到分布在樹脂中的MXene層狀結構。

圖8 MXene的層狀結構示意圖

圖7 分散在樹脂中的碳納米管示意圖

2.2 碳納米管和MXene/ink的傳感機理

碳納米管分散在樹脂中后，傳感器的電阻構成中除了碳納米管本身電阻RI外，主要還有接觸電阻RC。而RC包括碳納米管直接接觸構成的電阻RDC和碳納米管之間樹脂絕緣薄膜的存在納米管與納米管之間因隧穿效應形成的隧穿電阻RT，如圖9所示。碳納米管傳感器的總電阻RS可以用式(1)表達[14]

圖9 CNT導電機理示意圖

RS=RI+RC

(1)

由于碳納米管本身模量很高，試件受力變形中，碳納米管自身的形變可以忽略。因此，單搭接接頭試件在拉伸過程中，碳納米管傳感器的電阻變化主要由RC來承擔。

MXene/ink傳感器的導電網絡主要由MXene的微觀層狀納米片導電結構承擔，如圖10所示。低應變時，MXene納米片之間的錯動引起接觸電阻的改變；而當應變增大時，納米片之間產生間隙，此時存在的隧穿效應承擔了傳感器電阻的變化[15]。

圖10 MXene導電機理示意圖

本文定義了傳感器的電阻變化率(ΔR/R)，公式如下

(2)

其中R為試件測試過程中傳感器的實時電阻，R0為試件測試前傳感器的初始電阻。

2.3 單搭接接頭試件的循環加載實驗

試件循環加載試驗分別為3、4.5、6 kN 3個載荷，第一次循環加載速率為0.1 mm/min，第二次循環加載速率為1 mm/min。數據分析的3個主要方面為傳感器ΔR/R、搭接附近應變和搭接區域的平均應力。

第一次循環加載速率為0.1 mm/min時，3、4.5、6 kN 3個載荷循環下，各個傳感器ΔR/R隨時間變化關系如圖11所示。對于BP和MXene/ink而言，同等載荷下的3個循環中，峰值和谷值都無法回復到相同值，這說明，在試件制成后，試件的搭接區域和試件表面存在殘余應力，應力場分布不均勻。在第一次循環加載過程中，載荷抵消掉殘余應力后會使應力場重新分布，應力場不均勻導致了傳感器的峰值和谷值在同樣載荷下無法回復到相同值。對于搭接區域的BP而言，在3個載荷加載過程中，中部BP的ΔR/R始終比邊緣的BP要大。中部BP在3個載荷循環中的最大峰值分別為0.064 23%、0.104 96%、0.123 85%，而邊緣BP相應的最大峰值分別為0.011 94%、0.031 63%、0.066 65%。這表明搭接區域中部的剪切應力要比搭接邊緣區域的大。

圖11 加載速率0.1 mm/min時BP和MXene/ink電阻變化率-時間關系

邊緣MXene/ink的ΔR/R峰值在3 kN循環載荷下分別為21.55%、22.83%、23.12%，三者最大相差為1.57%；在4.5 kN循環載荷下分別為27.60%、28.21%、28.78%，三者最大相差為1.18%；在6kN循環載荷下分別為32.30%、34.73%、36.44%，其相差最大為4.14%。

加載速率為0.1 mm/min時，3、4.5、6 kN 3個載荷循環下中部BP、中部MXene/ink、搭接附近應變和平均應力關系如圖12所示。3 kN循環載荷下，中部BP的ΔR/R峰值逐步升高，分別為0.055 52%、0.056 45%和0.064 23%，三者最大相差為0.008 71%；而中部MXene/ink的峰值逐步降低，分別為0.049 72%、0.036 31%和0.033 69%，三者最大相差為0.016 03%。中部BP的峰值逐步升高，說明了該BP所在區域存在殘余拉應力，外部拉伸載荷和殘余拉應力共同作用，使峰值逐步升高。中部MXene/ink的ΔR/R峰值逐步降低，意味著中部MXene/ink所在位置存在殘余壓應力，施加外部拉伸載荷時，殘余壓應力會抵消掉一部分載荷，外部載荷和殘余壓應力共同作用使得其ΔR/R峰值逐漸減小。

圖12 加載速率0.1 mm/min時中部BP、中部MXene/ink、搭接附近應變、應力-時間關系

當循環載荷為4.5 kN時，中部BP的ΔR/R峰值逐步降低，分別為0.104 96%、0.099 70%、和0.087 69%，三者最大相差為0.017 27%；中部BP峰值逐步降低，說明4.5 kN的循環載荷可使殘余拉應力逐步釋放掉，殘余拉應力越來越小，因此峰值逐步降低。中部MXene/ink的ΔR/R峰值逐步略有升高，分別為0.060 71%、0.067 29%、和0.071 97%，其最大相差為0.011 26%。中部MXene/ink峰值略有升高說明4.5 kN循環載荷下可使MXene/ink所在搭接中部區域的殘余壓應力逐步釋放掉，殘余壓應力的影響越來越小，因此峰值逐步升高。

當循環載荷為6 kN時，由于之前載荷下試件的殘余應力被釋放掉許多，因此中部BP峰值之間和MXene/ink峰值之間相差減小了許多。中部BP的ΔR/R峰值分別為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載荷時的0.017 27%減小了許多。中部MXene/ink峰值分別為0.106 38%、0.111 73%和0.116 15%，最大最小之間相差0.009 77%，比4.5 kN載荷時的0.011 26%減小明顯。峰值之間波動減小到0.01%左右，說明殘余應力對6 kN載荷循環的影響可以忽略。

第一次加載速率為0.1 mm/min循環加載過程中，3 kN載荷時，搭接附近應變達到約1 787 με，平均應力約為3.01 MPa；4.5 kN載荷時，搭接附近應變達到約2 434 με，平均應力約為4.5 MPa；6 kN載荷時，搭接附近應變達到約3 023 με，平均應力約為6.00 MPa。

第二次循環加載速率為1 mm/min時，3、4.5、6 kN 3個載荷循環下，各個傳感器ΔR/R隨時間變化相互關系如圖13所示。由于第一次3個循環加載下，試件殘余應力被釋放了許多，因此第二次加載過程中，3、4.5、6 kN 3個載荷循環中各個傳感器的ΔR/R峰值波動明顯較第一次小了許多。此時對于搭接區域的BP而言，在3個載荷加載過程中，中部BP的ΔR/R仍然比邊緣的BP要大。中部BP在3、4.5、6 kN 3個載荷循環中的最大峰值分別為0.073 78%、0.119 80%、0.159 04%，而邊緣BP相應的最大峰值分別為0.051 80%、0.085 27%、0.119 33%。中部BP的ΔR/R都高于邊緣BP，更加印證了試件承載過程中，搭接區域中部剪切應力比邊緣位置要大許多。

圖13 加載速率1mm/min時BP和MXene/ink電阻變化率-時間

邊緣MXene/ink的ΔR/R峰值在3 kN循環載荷下分別為26.577 63%、26.570 7%、26.444 58%；在4.5 kN時分別為31.152 56%、31.068 26%、31.544 89%；在6 kN時分別為35.985 43%、36.579 56%、37.103 36%。其ΔR/R峰值在3 kN循環載荷下最大相差為0.13%，在4.5 kN時為0.48%，在6 kN時為1.12%。

圖14是加載速率為1 mm/min時，3、4.5和6 kN 3個載荷循環下中部BP和中部MXene/ink的ΔR/R、搭接附近應變和搭接區域平均應力關系。3 kN循環載荷下，中部BP的ΔR/R峰值分別為0.073 78%、0.071 03%、0.071 84%；三者最大相差為0.002 75%。中部MXene/ink峰值分別為0.081 55%、0.071 08%、0.075 75%，三者最大和最小之差為0.010 47%。

圖14 加載速率1mm/min時中部BP和MXene/ink電阻變化率、搭接附近應變、應力-時間關系

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

6 kN循環載荷下，中部MXene/ink的ΔR/R的峰值分別為0.132 69%、0.143 07%、0.143 32%，三者最大相差為0.010 63%，而相比于0.1 mm/min加載速率6 kN循環載荷時的0.009 77%，兩者相差0.000 86%，此數值為實驗可接受誤差，說明此時中部MXene/ink傳感器所在位置已基本沒有殘余應力。中部BP峰值分別為0.156 11%、0.157 6%、0.159 04%，三者最大相差為0.002 93%，相比于0.1 mm/min加載速率下同等載荷下的0.014 55%減小明顯，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循環加載時搭接區域內部已基本不存在殘余應力。

第二次加載時，3 kN載荷下，搭接附近應變達到約1 882 με；4.5 kN載荷下，搭接附近應變達到約2 542 με；6 kN載荷下，搭接附近應變達到約3 173 με。

中部BP、中部MXene/ink、邊緣MXene/ink在兩次加載下3、4.5、6 kN載荷時峰值最大差值與載荷關系，如圖15～圖17所示。第二次加載時中部BP和邊緣MXene/ink峰值最大差值相比于第一次時明顯降低。中部BP峰值最大差值在3、4.5、6 kN循環載荷下分別降低了0.005 96%、0.005 00%、0.011 62%；邊緣MXene/ink在相應處分別降低了1.44%、0.70%、3.02%。這充分表明，第二次加載時，此兩傳感器所在處的殘余應力減小明顯。中部MXene/ink峰值最大差值在第二次加載的3、4.5 kN載荷下分別減小了0.005 59%、0.006 62%，而在6 kN載荷處0.009 77%和0.010 63%之間相差無幾，這表明此時搭接件相應處殘余應力已被基本釋放掉了。

圖15 中部BP峰值最大差值與載荷關系

圖16 中部MXene/ink峰值最大差值與載荷關系

圖17 邊緣MXene/ink峰值最大差值與載荷關系

3 結論

文中所提及的數值模擬無法實現對復合材料搭接結構應力狀態的實時監測，而聚偏氟乙烯薄膜傳感器無法對結構內部的應力狀態進行有效地實時監測。本文通過MWCNT和MXene/ink兩種傳感器實現了對玻璃纖維單搭接結構在不同循環載荷、不同位置應力狀態下的實時監測。本文得出以下結論：在靜態拉伸過程中，接頭搭接區域中部剪切應力比邊緣位置大，試件上的殘余應力會隨著循環載荷的加載逐漸減小，同時說明兩種傳感器具有監測殘余應力的潛力。