将PVDF传感器嵌入CFRP材料中而不影响其性能：采用PCL封装技术实现损伤检测与层间增强的双重功能

《Polymer Composites》：Embedding PVDF Sensors in CFRP Without Compromise: PCL Encapsulation for Simultaneous Damage Detection and Interlayer Toughening

CFRP结构健康监测中，通过PCL薄膜同时实现PVDF传感器绝缘与界面增韧，解决了传统传感器破坏基体性能和导电干扰问题。实验表明PCL-J/PVDF复合材料使Mode I断裂模量提升102%，PCL包覆使抗弯强度提高13.7%，并有效监测损伤演化过程。

　　

摘要

对碳纤维增强塑料（CFRP）进行原位结构健康监测依赖于嵌入式柔性传感器，以实现实时损伤检测，但面临两个关键挑战：商业化的传感器包装可能会削弱基材层压板的固有强度；而未包装的传感器则因碳纤维的导电性而导致传感性能下降。本研究提出了一种基于层间增强的原位封装策略，通过聚己内酯（PCL）薄膜将聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜集成到CFRP中，这些薄膜同时具备电绝缘和层间增强的双重功能。研究人员制备了两种PCL薄膜——静电纺纳米纤维垫（PCL-J）和溶剂浇铸薄膜（PCL-L），并将其与聚酰亚胺（PI）薄膜进行了对比。双悬臂梁（DCB）测试表明，PCL-J/PVDF复合材料的层间断裂韧性显著提高，相比原始CFRP提高了102.02%。三点弯曲测试进一步证实，PCL有效缓解了传感器集成对弯曲性能的不利影响，而PI封装则降低了材料性能。短梁剪切（SBS）测试显示，PCL/PVDF传感器使剪切强度提高了4%–8%。拉伸性能基本未受到集成传感器的影响。同时，结合声发射监测的三点弯曲测试验证了PVDF传感器在原位损伤检测方面的能力。三种类型的传感器均产生了与内部损伤事件相对应的电压信号，能够捕捉到不同的损伤发展阶段。值得注意的是，PCL-J/PVDF复合材料表现出更高的损伤起始阈值和更渐进的损伤发展过程。这项工作成功证明了使用热塑性薄膜作为绝缘/增强中间层的方法，可以实现功能性PVDF传感器的非破坏性集成，为高性能碳纤维复合材料的损伤检测提供了一种有前景的方法。

亮点

• PCL薄膜既绝缘PVDF传感器，又增强了层间界面的韧性。
• PCL中间层使层间断裂韧性提高了102%。
• 通过CFRP中的嵌入式PVDF传感器实现实时损伤检测。
• PCL-环氧树脂混合物使弯曲强度提高了13.7%。
• PCL的性能优于PI：具有更好的增强效果和兼容性。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的支持数据可应合理要求向相应作者索取。