激光诱导石墨烯压阻式应变传感器在复合材料结构健康监测中的低成本应用研究

推荐：本研究针对纤维增强聚合物(FRP)复合材料结构健康监测需求，开发了基于软木基底的激光诱导石墨烯(LIG)嵌入式应变传感器。通过循环拉伸测试揭示了LIG在0.2%应变阈值下的线性压阻特性（GF达133）及高应变下的非线性行为，建立了整合几何变化与随机空隙模型的唯象模型，为复合材料结构监测提供了可定制化设计的低成本解决方案。

　　

复合材料在航空航天、船舶和新能源等领域广泛应用，但其层状异质结构导致损伤机制复杂且突发性强。传统应变监测技术如金属应变片和光纤传感器(FBGs)存在成本高、灵敏度低或实施复杂等问题。碳纳米管(CNT)等纳米材料虽灵敏度高，但分散工艺复杂制约其大规模应用。激光诱导石墨烯(LIG)因其优异的导电性和可调控性成为新兴解决方案，但其在复合材料中的压阻性能与尺寸效应尚未系统研究。

英国诺丁汉大学等机构的研究人员选择软木作为LIG前驱体，采用波长445 nm、功率1875 mW的激光二次扫描制备不同宽度(3/4/5 mm)的LIG通道，嵌入[0°/90°]₃铺层的玻璃纤维预浸料复合材料中。通过数字图像相关技术(DIC)同步监测应变与电阻变化，结合SEM和拉曼光谱表征微观结构，系统研究了LIG在准静态拉伸和循环载荷下的压阻特性。

LIG表征
二次激光扫描使软木基底的片电阻从1 MΩ/sq降至1.2 kΩ/sq，拉曼光谱显示典型的D/G/2D峰（1350/1580/2700 cm^-1）。树脂渗透后电阻升至3.7 kΩ/sq，SEM显示均匀多孔结构有利于环氧树脂填充稳定导电网络。

低载荷循环测试
应变≤0.08%时，所有LIG通道均呈现线性电阻-应变关系（R²>0.95），3 mm通道的灵敏度系数(GF)最高达133，较金属应变片（GF≈2）显著提升。但窄通道响应延迟更明显，5 mm通道的峰值偏移比3 mm通道低40%，显示宽度与响应速度的负相关性。

中载荷循环测试
应变达0.7%时出现双线性响应拐点，0.2%应变后微裂纹积累导致电阻漂移。每循环周期初始电阻增加3-8%，表明LIG网络发生不可逆损伤。4 mm通道的电阻累积效应较3 mm通道减弱35%，证实宽通道对损伤的容忍度更高。

单调拉伸测试
应变至1.8%时呈现二次函数型非线性压阻响应，与基体横向裂纹（0.7%应变起）协同作用。相同参数下不同宽度样品的电阻变化曲线高度重复，验证了LIG传感器的可靠性。

随机空隙模型
建立的唯象模型整合几何变形（泊松比ν=0.38）与韦伯分布损伤演化，通过参数A=0.0284和t=1.06准确预测电阻变化（R²>0.95）。模型显示LIG通道宽度倒数平方(C_w^-2)主导高应变区的灵敏度，为传感器设计提供量化工具。

该研究证实LIG传感器可实现0.08-1.8%应变范围的监测，其多孔结构与树脂的融合避免了传统嵌入式传感器的应力集中问题。提出的几何-损伤耦合模型突破了现有压阻理论仅关注材料本征特性的局限，为复合材料结构健康监测提供了可定制化、低成本的解决方案，相关成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》。未来可进一步探索LIG在疲劳载荷和环境影响下的长期稳定性，推动其在工程实践中的应用。