薄層復(fù)合傳感器已被開發(fā)為一種用于視覺指示過載的可行方法。這些傳感器使用商用預(yù)浸料制成，傳感機(jī)制通過斷裂激活。圖19顯示了由高應(yīng)變材料和低應(yīng)變材料制成的三層單向混合層壓板中不同類型的損傷。應(yīng)變過載導(dǎo)致的損傷可肉眼觀測(cè)（見圖19（c））。這是通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧咸匦浴⑾鄬?duì)低應(yīng)變材料與高應(yīng)變材料的厚度以及低應(yīng)變材料的絕對(duì)厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖19：由高應(yīng)變材料和低應(yīng)變材料制成的三層單向混合層壓板中不同類型的損傷

圖20顯示了兩種不同設(shè)計(jì)的單向復(fù)合傳感器，其中視覺變化是通過專門設(shè)計(jì)的玻璃/碳-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，設(shè)定其薄夾層的應(yīng)變值。光線通過半透明玻璃層并被碳層吸收，從而產(chǎn)生黑色的外觀。圖20（a）所示，入射光從碳層斷裂周圍局部受損的玻璃/碳界面反射，產(chǎn)生光條紋。圖20（b）顯示了較厚碳層中的另一種失效類型：?jiǎn)我粩嗔押蠓謱印煞N損傷情況都可以很直觀的描述出來(lái)。

圖20：兩種不同設(shè)計(jì)的單向復(fù)合傳感器

通常，薄層復(fù)合傳感器直接粘結(jié)到結(jié)構(gòu)表面（見圖23）。通過組合不同的傳感材料，使它們可以根據(jù)損傷程度提供更清晰的顯示。此外，通過設(shè)計(jì)定向于可以監(jiān)測(cè)過載方向。例如安裝在部件上的傳感器承受與材料相同的應(yīng)變。

圖23：薄層復(fù)合傳感器直接粘結(jié)到結(jié)構(gòu)表面

與前面章節(jié)中回顧的其他自動(dòng)反饋系統(tǒng)不同的是，玻璃/碳混合傳感器的簡(jiǎn)單性和實(shí)用性導(dǎo)致它們?cè)?/span>SHM中的相對(duì)快速應(yīng)用。例如，一組短和長(zhǎng)由單層XN80/EPOXY制成的傳感器應(yīng)用于一些商用CFRP自行車把手。圖24顯示了測(cè)試結(jié)構(gòu)，這里長(zhǎng)傳感器的激活點(diǎn)在1500 N和2000 N。圖還顯示了根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN14781）規(guī)定的負(fù)載（1000 N）用于測(cè)試車把受力情況。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器沒有引起任何明顯的剛度增加。

圖24：一組短和長(zhǎng)由單層XN80/EPOXY制成的傳感器應(yīng)用于一些商用CFRP自行車把手的測(cè)試結(jié)果

在靜態(tài)拉伸測(cè)試當(dāng)中，圖27顯示了由試樣中心斷裂分層導(dǎo)致的外觀變化，，證明傳感器具有自動(dòng)反饋的能力。復(fù)合傳感器也用于檢測(cè)BVID對(duì)層壓板的機(jī)械性能的顯著影響，特別是抗壓強(qiáng)度，與未損壞的層壓材料相比可降低60%。

圖27：復(fù)合傳感器承受不斷增加的載荷：（a）195 MPa；（b）197 MPa；（c）304MPa；（d）336MPa；（e）340MPa

3.總結(jié)和未來(lái)研究方向

近年來(lái)，SHM逐漸成為一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域?qū)で笮路椒ㄒ蕴岣卟牧鲜褂脡勖凸こ滔到y(tǒng)維護(hù)。科學(xué)家們正在開發(fā)新的SHM方法，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中。其中光學(xué)圖案如不同的顏色可能與不同的損傷程度有關(guān)。這項(xiàng)技術(shù)傳統(tǒng)SHM方法有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，它是無(wú)線的，不需要任何數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；其次，它重量輕、環(huán)保；第三，它可在系統(tǒng)運(yùn)行期間實(shí)時(shí)反饋結(jié)果，可顯著提高材料結(jié)構(gòu)的耐久性。本綜述并重點(diǎn)介紹了通過分類基于化學(xué)和物理的傳感器設(shè)計(jì)的自動(dòng)反饋機(jī)械變色聚合物復(fù)合材料，重點(diǎn)關(guān)注其在SHM的應(yīng)用。

化學(xué)傳感器中，基于染料填充材料的機(jī)械變色是第一種方法，含染料的試劑（如微膠囊）嵌入所需的系統(tǒng)中，當(dāng)材料損傷導(dǎo)致它破裂并釋放熒光物質(zhì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它易于實(shí)現(xiàn)。雙壁膠囊是最好的選擇，其在另一個(gè)更大的膠囊中包含一個(gè)較小的膠囊，與其他封裝方法相比顯示出在SHM中更好的應(yīng)用前景。

化學(xué)傳感器的第二種自動(dòng)反饋方法基于改性聚合物和纖維材料，其中所需的機(jī)械載體被添加到復(fù)合材料中以使其功能化。該方法通過添加AIE分子來(lái)實(shí)現(xiàn)在納米尺度上的分析材料損傷。然而該方法的應(yīng)用仍有待研究，特別是在加工時(shí)將機(jī)械變色熒光分子添加到聚合物基質(zhì)的工藝。

基于物理的傳感器的第一種方法是通過結(jié)構(gòu)彩色材料，其中不同波長(zhǎng)的光與這種結(jié)構(gòu)可以在各種方向上產(chǎn)生衍射和干涉，從而產(chǎn)生彩虹色。結(jié)構(gòu)顏色材料根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和折射率而變化，因此，一組材料可以產(chǎn)生各種顏色使這些材料比基于化學(xué)的顏色傳感器更環(huán)保。但當(dāng)前的結(jié)構(gòu)顏色材料的可擴(kuò)展性和成本效益還有待研究。此外，它們的SHM響應(yīng)主要取決于光波發(fā)射的角度，阻礙了傳感器的實(shí)際應(yīng)用。

第二種基于物理的方法與復(fù)合層的概念，其中來(lái)自界面損傷的反射光兩層之間可以作為檢測(cè)損傷的視覺標(biāo)志。這種方法的制造過程比以前的方法簡(jiǎn)單，此外，這些傳感器可以設(shè)計(jì)成方向相關(guān)。這些玻璃/碳復(fù)合傳感器簡(jiǎn)單且易于實(shí)施，因此用于SHM的潛力巨大。該方法在損傷中的應(yīng)用實(shí)例是自行車車把的損傷檢測(cè)。復(fù)合傳感器僅為靜態(tài)過載傳感而開發(fā)，由于碳纖維本身低應(yīng)變，導(dǎo)致其操作不是可逆的。未來(lái)的研究可能涉及在BVID檢測(cè)中為不同損傷的起始確定更精確的極限受力值。此外，復(fù)合傳感器應(yīng)在各種條件下進(jìn)一步測(cè)試，以便高性能傳感器具有面向功能設(shè)計(jì)制造的能力。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。