基于摩擦納米發電技術的碳纖復材缺陷的無損檢測

王開　李冰　侯銳華　陳超余　馬丕波

摘要：針對常用的碳纖維增強復合材料在生產及服役過程中產生缺陷的問題，探索了將摩擦納米發電技術應用在碳纖維增強復合材料無損檢測中的可行性。采用激光切割與改變熱壓溫度的方式，分別在碳纖維復合材料內部制作碳纖維增強體和界面間的缺陷，并基于摩擦發電原理搭建測試裝置，對輸出信號進行了分析。結果表明電壓、電流、電荷三種信號都能通過信號峰值這一特征反映兩種類型的缺陷。三種電學信號峰值與復合材料準靜態穿刺性能的關系圖表明電壓信號的峰值與穿刺峰值力與能量之間的規律明顯，GaussAmp模型和Asymptoticl模型、NormalCDF模型對以上兩種力學參數的曲線擬合準確度可達0.95，為碳纖維復合材料的低成本無損檢測提供了理論基礎。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；無損質量檢測；內部缺陷識別；力學性能預測；摩擦納米發電機；峰值電壓

中圖分類號：TS195.644???? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）02-0001-11

Nondestructive Defect Detection of Carbon Fiber CompositesBased on Triboelectric Nanogenerator

WANG Kai，LI Bing，HOURuihua，CHEN Chaoyu，MA Pibo *

（ Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122， China）

Abstract：Aiming at the defects of common carbon fiber reinforced composites during production and service， the feasibility of applying triboelectric technology to achieve nondestructive detection of the carbon fiber rein- forced composites was explored. Through laser cutting and vulcanization temperature variation， the inner de- fects in the carbon fiber reinforcement and the interface were fabricated. The signals output by the testing device that was constructed based on triboelectric principle were analyzed. The results show that the triboelectric sig- nals including the open-circuit voltage， short-circuit current and short-circuit charge transfer can all reflect the two types of defects through signal peak， which therefore was confirmed an important characteristic parameter. The relationships between the peaks of the three electrical signals and the quasi-static puncture performance of the composites show regular correlation between the peak voltage and the maximum puncture force and energy dissipation. The curve fitting accuracy of the asymptotical model and the normal CDF model for the above two mechanical parameters can reach 0.95. This exploration provides a theoretical foundation for low-cost nonde- structive detection of carbon fiber composites.

Key words： carbon fiber reinforced composites；nondestructive quality detection；inner defect recognition；me- chanical property prediction；friction nanogenerator；peak voltage

引言

作為一種高性能纖維，碳纖維增強復合材料（CFRP）的相對密度小、軸向強度高、化學穩定性優良，同時具備碳素材料耐高溫、抗摩擦、抗腐蝕等特性，優異的綜合性能使碳纖維增強復合材料成為被應用最頻繁，范圍最廣的一種纖維增強型樹脂基復合材料[1-3]。然而由于生產工藝水平的限制，復合材料在制備過程中可能產生碳纖維增強體內部、基體內部和多相界面處的多種缺陷[4]。服役過程中，外界載荷和環境因素也會使復合材料產生裂紋、脫粘、損傷等缺陷。這些缺陷通過降低復合材料的力學性能影響其在服役過程中的安全性及使用壽命，缺陷的高隱蔽性使它們難以通過目視或敲打等簡單的檢查發現，一旦事故發生，將造成不可估量的慘重損失。因此，開發對碳纖維增強復合材料無損缺陷檢測的方法，特別是實現使用過程中的無損實時監測，是保證復合材料構件結構完整性、可靠性和使用安全性的重要手段，具有重要意義。

針對碳纖維增強復合材料在生產過程中可能出現的結構缺陷，國內外研究人員開發了多種無損檢測技術，如超聲波檢測[5]、聲發射法[6]、渦流檢測[7]、射線檢測法[8]、光纖傳感器[9]、壓電傳感器[10]、電阻傳感器[11， 12]、電容傳感器[13]等。但常規的超聲檢測、渦流檢測、射線檢測等無損檢測與評價技術往往局限于單點檢測，對大尺寸部件檢測難度大，需要大型外置設備，成本高[14-16]。光纖、壓電、電阻、電容等傳感器雖然能夠形成傳感網絡，但一般采用嵌入式設計或安裝在復合材料表面[17-19]，且無法適應碳纖維增強復合材料的生產過程。因此，選擇簡單、快速、低成本、自供電的檢測手段具有必要性，且與通過埋入或粘貼傳感器這些犧牲復合材料性能的方式相比，開發可檢測自身缺陷的本征智能的碳纖維增強復合材料具有更強的優勢。

在眾多傳感技術中，摩擦納米發電機靈敏度高[20， 21]，可識別材料非常微小的變化，且摩擦納米發電機材料選擇范圍廣泛、易于制造[22]，有望作為一種自供電、低成本、簡單快速的碳纖維復合材料缺陷檢測手段[23]。本文利用碳纖維的導電特性，將碳纖維增強體作為摩擦納米發電機的電極，將電學輸出信號用于檢測碳纖維增強體的破損以及不同制備溫度下增強體與樹脂基體的界面狀態，證明摩擦納米發電技術無損檢測碳纖維增強復合材料缺陷的潛力。

1實驗部分

1.1實驗材料

碳纖維機織布（厚度0.2 mm，面密度200g/ m2，2/1斜紋，宜興市飛舟高新科技材料有限公司）；熱塑性聚氨酯膜（TPU，厚度0.1 mm，無色透明，深圳市匯美橡塑新制造有限公司），其詳細信息見表1。聚酰胺薄膜（厚度0.35 mm，東莞市藝軒塑膠有限公司）。

1.2碳纖維增強復合材料制備

將碳纖維機織布與 TPU 膜按照 TPU-碳布- TPU的順序疊層，使用平板硫化機（邢臺任縣正實機械廠）對織物與基體進行熱壓，在高溫下使TPU 膜熔化并滲入碳布，熱壓壓力設定為10 MPa，熱壓溫度設為180℃ ， 熱壓10min 。使用激光切割機（YQ-E6040，蘇州億強光電科技有限公司）在碳布表面制造如圖1所示的條形缺損，將缺損的碳布按照以上流程及工藝制備復合材料，用于碳纖維增強體的破損檢測。為了檢測增強體與樹脂基體的界面狀態，通過改變熱壓溫度使復合材料中碳布與TPU間形成不同的界面，熱壓溫度分別選擇150℃、160℃、170℃、180℃。樣品制備工藝如表2。

1.3基于摩擦納米發電機的碳纖維復合材料缺陷檢測

碳纖維具有導電性，將復合材料中的碳纖維機織布作為電極，TPU基體作為摩擦材料，選擇垂直接觸分離的單電極模式搭建檢測裝置，如圖2（a）所示。根據摩擦電序列，選擇具有較強失電子能力的聚酰胺作為另一摩擦材料[24]。該裝置產生電學信號的原理如圖2（b）所示，當聚酰胺膜與碳纖維增強復合材料接觸時，由于摩擦電效應，碳纖維復合材料的TPU基體與聚酰胺膜的表面分別產生等量的負摩擦電荷和正摩擦電荷，一旦聚酰胺膜與碳纖維復合材料分離，就會在兩個表面之間建立電場，驅動電子從地面向作為電極的碳纖維機織布移動。當聚酰胺膜與碳纖維復合材料再次接近時，電子將從碳纖維機織布電極向地面反向流動。因此在聚酰胺膜與碳纖維復合材料的循環接觸分離下，碳纖維機織布電極會輸出交流電，碳纖維機織布電極和復合材料界面的狀態都會影響上述過程中的摩擦起電和靜電感應，因此產生的特征交流電信號可作為碳纖維增強復合材料的缺陷判定依據。該檢測過程與常用的敲擊等簡單的檢測方法具有類似性，通過對敲擊這一檢測動作進行規范，有望實現簡單快捷的碳纖維復合材料無損檢測。

1.4表征

1.4.1碳纖維復合材料界面形貌表征

采用 SU1510掃描電子顯微鏡（日本日立株式會社）觀察制備碳纖維增強復合材料的界面狀態，測試電壓為5 kV。

1.4.2碳纖維復合材料厚度測試

采用YG141LA 型數字式織物厚度儀（寧波紡織儀器廠）測試碳纖維增強復合材料的厚度，測試壓力20 cN，測試面積100mm2，每種樣品測試10次，取平均值。

1.4.3碳纖維復合材料的準靜態穿刺性能測試

用多功能電子織物強度試驗機/萬能材料試驗機（中國廣東省廣州市 MTS 工業系統有限公司/美國MTS工業設備有限公司）測試在不同溫度條件下制備碳纖維增強復合材料的準靜態穿刺性能。穿刺頭為圓形平頭，直徑為8mm，試樣測試區域為圓形，直徑45 mm，穿刺速度為100 mm/min，穿刺至復合材料斷裂，每種樣品測試5次，取平均值。

1.4.4碳纖維復合材料缺陷檢測裝置的輸出測試

使用商用LinMot E1100直線電機（蘇州科瑞力摩電機有限公司）為聚酰胺膜與碳纖維增強復合材料提供周期性的接觸和分離運動，接觸分離距離20 mm，頻率為1 Hz，接觸面積為5×5 cm2。采用DY500型壓縮測力儀（蚌埠大洋傳感系統工程有限公司）檢測直線電機施加的接觸力，接觸壓強為1 kPa 。使用Keithley 6514型可編程靜電計（美國吉時利儀器公司）和數據采集卡（USB X 系列，美國國家儀器有限公司）采集開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和短路電荷轉移（Qsc）。

2結果與分析

2.1碳纖維復合材料增強體的缺陷識別

碳纖維增強復合材料的碳纖維體積占比一般為60-65%，決定了復合材料的力學性能。作為電極，碳纖維機織布上的缺損會直接影響檢測裝置的輸出。缺損對碳纖維復合材料檢測信號的影響如圖3所示。碳布上制造條形缺損的樣品1#電壓、電流、電荷輸出峰值分別為18.09 V，52.01 nA，6.36 nC，相比于無缺陷的樣品2#，分別降低了20.17%，20.00%，20.90%。這一方面是由于碳纖維機織布上的缺損減少了電極的面積，另一方面是該條形缺損對疊層碳纖維機織布與 TPU 的熱壓成形造成了影響，由于缺損處無碳布，與周邊形成高度差，降低了復合材料表面與聚酰胺膜的接觸面積，從而削弱了接觸表面的摩擦起電效應[25]。通過對比兩種復合材料在一次接觸分離循環中輸出信號的波形，發現三種輸出信號的波形均高度一致，說明該條形缺陷并不會對輸出信號的波形造成影響。因此，針對于碳纖維增強體的缺損，輸出電壓、電流、電荷的峰值是重要的判定信號。

2.2碳纖維復合材料界面的缺陷識別

2.2.1碳纖維復合材料的界面形態

碳纖維增強體和樹脂基體復合而成的多相復合結構提供了良好的載荷傳遞效果，也是影響復合材料力學性能的重要因素。制備碳纖維增強復合材料時，TPU熔化后滲入機織碳布的纖維空隙，固化后TPU成為連接纖維的介質，可以充當載荷傳遞的橋梁。不同的熱壓溫度下，TPU膜的熔化時間、流動性的不一致使熔流狀態的TPU滲入碳布的深度發生變化，從而影響所制備復合材料的界面狀態。如圖4所示為150℃、160℃、170℃、180℃的熱壓溫度下制備的樣品5#、樣品4#、樣品3#、樣品2#的截面形貌。可看出兩側的 TPU層隨著制備溫度的升高而不斷減小，說明更多的TPU滲入了碳布。如表3，四種樣品的厚度也因此隨著熱壓溫度的升高而減小。當溫度達到180℃時，表面TPU幾乎完全滲入碳纖維增強體中，這部分復合材料表面TPU層很薄，復合材料表面開始顯現出碳纖維機織布表面因纖維交織引起的紋路。

2.2.2碳纖維復合材料電學輸出

根據摩擦發電原理，碳纖維增強復合材料的界面狀態影響了與聚酰胺膜接觸分離過程中的靜電感應現象，會對輸出信號產生影響。因此每種界面狀態的復合材料都將輸出與之相對應的特征信號。如圖5，樣品2#、3#、4#、5#測得的電壓、電流、電荷信號各不相同。但三種信號均隨著熱壓溫度的升高呈現先增后減的趨勢。根據圖4中四種樣品的界面狀態與表3中的厚度測試結果，熱壓溫度升高時，TPU浸漬到碳纖維機織布中的量更多，TPU 與碳纖維的接觸面積也更大，同時復合材料兩側 TPU層的厚度減小，TPU 表層與碳纖維層間距離更小，這些都會提升TPU 與碳纖維之間的靜電感應效果，使得檢測裝置中復合材料的輸出信號更大。當溫度繼續升高時， TPU的浸漬效果進一步提高，碳纖維之間的空隙被TPU填充，在與聚酰胺膜接觸的壓強一定時，碳纖維增強體內部空隙的減少導致復合材料整體在厚度方向上的變形能力降低，復合材料與聚酰胺膜接觸面的表面硬度隨之提升，降低了接觸面積，最終造成復合材料輸出信號的減小。在熱壓溫度為160℃時，復合材料的表面接觸面積與靜電感應的綜合作用下獲得最高的輸出信號。另外，通過對比樣品2#、3#、4#、5#在一次接觸分離循環中輸出信號的波形，發現三種輸出信號的波形均高度一致，說明復合材料在不同熱壓溫度下的狀態變化并不會對輸出信號的波形造成影響。因此，針對于復合材料的界面狀態，輸出電壓、電流、電荷的峰值是判定復合材料界面狀態的重要信號，且摩擦納米發電技術能夠通過以上信號分辨出復合材料因微觀層面上界面狀態的改變引起的變化。

2.2.3碳纖維復合材料準靜態穿刺性能

為了探究具有不同界面狀態的碳纖維復合材料的電學信號與力學性能之間的關系，測試了碳纖維復合材料的準靜態穿刺性能，圖6（a）為樣品2#、3#、4#、5#的準靜態穿刺力和位移的曲線。如圖6（b）所示，隨著熱壓溫度的升高，樣品5#、4#、3#、2#的穿刺峰值載荷逐漸增大。在150℃-180℃的熱壓溫度范圍內，隨著TPU對碳纖維增強體的滲透越來越充分，受到穿刺頭的準靜態沖擊時，復合材料對載荷的分散效果更好，碳纖維增強體的增強作用更明顯。

而碳纖維復合材料吸收能量的能力則隨熱壓溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢，在160℃時達到峰值，如圖6（c）所示。這是由于 TPU的浸漬效果提升后，TPU與碳纖維機織增強體的結合更加緊密，但隨著復合材料一體化的程度更高，如圖6（d），復合材料破裂前產生的變形更小，反而削弱了復合材料在失效前的緩沖作用，導致能量耗散能力降低。因此在160℃的熱壓溫度下達到最優的能量吸收效果。

2.2.4碳纖維復合材料界面預測與缺陷檢測

碳纖維增強復合材料的不同界面狀態與摩擦電輸出和穿刺性能都有規律性的相關關系。如圖7作出樣品2#、3#、4#、5#的電壓、電流和電荷三種信號分別與準靜態穿刺的峰值力與失效前吸收能量之間的關系圖，可看出三種檢測信號中，電壓與穿刺性能的關聯度最好，具有更強的參考意義，電流和電荷信號與兩個準靜態穿刺力學指標的規律性不明顯。圖7（a）-（b）對電壓峰值與準靜態穿刺的穿刺峰值力與能量的關系圖線在所探究的范圍內分別進行了數學擬合。電壓峰值在17～20 V、20～26 V 之間與穿刺峰值力之間的擬合曲線分別選用GaussAmp模型與 As- ymptoticl模型分段進行擬合，電壓峰值與能量之間的曲線符合NormalCDF模型，擬合準確度均較高（R2＞0.95）。因此，基于摩擦納米發電技術測試的電壓信號峰值不僅能反映碳纖維復合材料的界面狀態，而且有望預測復合材料的最終力學性能，這可以為碳纖維復合材料的快速無損檢測與高質量生產提供指導。

3結論

本研究采用熱壓法制備了碳纖維織物增強復合材料，并人為在復合材料內部構建碳纖維增強體和界面間的缺陷，探究摩擦納米發電技術以無損的方式檢測碳纖維復合材料內部缺陷的可行性。利用了碳纖維的導電特性，將碳纖維增強體作為電極，碳纖維增強體中條形缺損的存在減少了電極面積與復合材料接觸分離時的表面接觸面積使電學峰值下降。熱壓溫度引起的微觀界面缺陷對測試電學信號的影響較為復雜，主要通過影響摩擦發電過程中的接觸面積、TPU層厚度及其與碳纖維增強體之間的接觸情況、復合材料內部空隙等來影響最終電學輸出。結果表明兩種類型的缺陷都能在檢測出的電學信號中得到有效反映，電學信號的峰值是判定復合材料內部缺陷的重要特征。而且將三種電學信號的峰值與準靜態穿刺性能關聯起來，分別選擇Gaus- sAmp模型和Asymptoticl模型、NormalCDF模型將電壓信號的峰值與穿刺峰值力與能量進行曲線擬合，準確度可達0.95。但研究樣本的數量有限，采用的擬合方法較為簡單，未來可擴大樣本范圍與數量，與大數據背景下的機器深度學習等研究方法相結合，提取出更加全面的特征值，為碳纖維復合材料的無損檢測提供指導。

參考文獻：

[1]GHOTEKAR Y， VARTAK D， DESHPANDE N， et al. Optimization of nano fillers content to fabri- cate? electrically? conductive? carbon? fiber? rein- forced polymer for space use[J]. Composites-Me- chanics Computations Applications， 2023， 14（1）：79-88.

[2]SHEN M Y， GUO Z H， FENG W T. A study on the characteristics and thermal properties of modi- fied regenerated carbon fiber reinforced thermo- plastic composite recycled from waste wind tur- bine blade spar[J]. Composites Part B- Engineer- ing， 2023， 264.

[3]劉文靜， 楊國榮， 趙曉曼.碳纖維復合材料研究進展及其應用[J].紡織科技進展， 2023，（7）：1-4+52.

LIU Wenjing， YANG Guorong， ZHAO Xiaoman. Research progress and application of carbon fiber compossites[J]. Progress? in? Textile? Science & Technology， 2023，（7）：1-4+52.

[4]賈振元， 付饒， 王福吉.碳纖維復合材料構件加工技術進展[J].機械工程學報， 2023，59：1-27.

JIA Zhenyuan， FU Rao， WANG Fuji. Research ad- vance review of machining technology for carbon fiber reinforced polymer composite components [J]. Journal of Mechanical Engineering， 2023，59：1-27.

[5]張洪毅， 張博， 武明遠.碳纖維復合材料超聲檢測缺陷識別[J].化纖與紡織技術， 2023， 52：10-12.

ZHANG Hongyi， ZHANG Bo， WU Mingyuan. Identification of defects in ultrasonic testing of carbon fiber composites[J]. Chemical Fiber & Tex-tile Technology， 2023， 52：10-12.

[6]齊添添， 陳堯， 何才厚， 等.碳纖維復合材料聲發射源定位實驗研究[J].復合材料科學與工程， 2020，（6）：5-9+17.

QI Tiantian， CHEN Yao， HE Caihou， et al. Experi- mental research on acoustic emission source local- ization for carbon fiber composite[J]. Composites Science and Engineering， 2020，（6）：5-9+17.

[7]喻星星， 朱穎， 曹艷， 等.碳纖維復合材料熱損傷的渦流阻抗軌跡檢測[J].無損檢測， 2021， 43：37-40.

YU Xingxing， ZHU Ying， CAO Yan， et al. Eddy current impedance trajectory detection of thermal damage in carbon fiber composites[J]. Nondestruc-tive Testing， 2021， 43：37-40.

[8]XU H， YAN Z H， JI B W， et al. Defect detection in welding radiographic images based on semantic segmentation? methods[J]. Measurement， 2022， 188：110569.

[9]YU F M， OKABE Y. Regenerated fiber bragggrat- ing sensing system for ultrasonic detection in a 900℃ environment[J]. Journal of NondestructiveEvaluation， Diagnostics and Prognostics of Engi- neering Systems， 2019， 2（1）：011006-011006-8.

[10]YAN X， COURTNEY C R P， BOWEN C R， et al. In situ fabrication of carbon fibre-reinforced polymer composites with embedded piezoelec- trics for inspection and energy harvesting applica- tions[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2020， 31（16）：1910-1919.

[11]ALMUHAMMADI? K，? YUDHANTO A，? LU- BINEAU G. Real-time electrical impedance mon- itoring of carbon fiber-reinforced polymer lami- nates? undergoing? quasi- static? indentation[J]. Composite Structures， 2019， 207：255-263.

[12]韓中州， 鄭華升， 陳精英.基于電阻響應的 CFRP 加固結構的無損檢測[J].塑料工業， 2021， 49：154-158.

HAN Zhongzhou， ZHENG Huasheng， CHEN Jingying. Nondestructive? detection? for? cfrp strengthened structures by resistance responses[J]. China Plastic Industry， 2021， 49：154-158.

[13]PROBST P， PIAO G， KUMAR D， et al. Miniatur-ized multi- modality field- ready sensing system for defect detection of CFRP materials[J]. Ndt& E International， 2023， 137：102815.

[14]TONGA D A， AKBAR M F， SHRIFAN N H M M， et al. Nondestructive evaluation of fiber-rein- forced polymer using microwave techniques： a review[J]. Coatings， 2023， 13（3）：590.

[15]CHEN J， YU Z， JIN H. Nondestructive testing and evaluation techniques of defects in fiber-rein- forced polymer composites： A review[J]. Fron- tiers in Materials， 2022， 9：986645.

[16]趙洪寶， 馬丹， 馬超群， 等.航空用碳纖維復合材料典型缺陷無損檢測技術研究[J].電子制作， 2020，（24）：35-37.

ZHAO Hongbao， MA Dan， MA Chaoqun， et al. Study on nondestructive testing of typical defects of carbon fiber composites for aviation[J]. Practi- cal Electronics， 2020，（24）：35-37.

[17]LI D， ZHOU J， OU J. Damage， nondestructive evaluation and rehabilitation of FRP composite- RC? structure： a? review[J]. Construction? andBuilding Materials， 2021， 271：121551.

[18]HUIJER A， ZHANG X， KASSAPOGLOU C， etal. Feasibility? evaluation? for? development? of composite propellers with embedded piezoelec- tric? sensors[J]. Marine? Structures， 2022， 84：103231.

[19]ASKARIPOUR K， ZAK A. A survey of scrutiniz- ing delaminated composites via various catego- ries of sensing apparatus[J]. Journal of Compos- ites Science， 2019， 3（4）：95.

[20]KAMILYAT， PARK J. Highly sensitive self-pow- ered biomedical applications using triboelectric nanogenerator[J]. Micromachines， 2022， 13（12）：2065.

[21]靳龍， 張磊， 張彬彬， 等.摩擦納米發電機在自驅動智能交通系統的應用研究進展[J].科技導報， 2022， 40：63-75.

JIN Long， ZHANG Lei， ZHANG Binbin， et al. Application and research progress of triboelectric nanogenerator in self driving intelligent transpor- tation system[J]. Science & Technology Review， 2022， 40：63-75.

[22]HE L， ZHANG C， ZHANG B， et al. A dual- mode triboelectric nanogenerator for wind ener- gy harvesting and self-powered wind speed moni- toring[J]. Acs Nano， 2022， 16（4）：6244-6254.

[23]ZHANG Q， BARRI K， KARI S R， et al. Multi- functional? triboelectric? nanogenerator- enabled structural elements for next generation civil infra- structure monitoring systems[J]. Advanced Func- tional Materials， 2021， 31（47）：2105825.

[24]DIAZ A F， FELIX- NAVARRO R M. A semi- quantitative tribo- electric series for polymeric materials： the influence of chemical structure and properties[J]. Journal of Electrostatics， 2004， 62（4）：277-290.

[25]PAOSANGTHONG W， WAGIH M， TORAH R， et al. Textile- based triboelectric nanogenerator with alternating positive and negative freestand- ing grating structure[J]. Nano Energy， 2019， 66：104148.

（責任編輯：胥朝陽）