综述：多功能碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在可持续智能土木基础设施中的应用研究进展

这篇综述系统阐述了碳纤维增强聚合物（CFRP）在智能土木工程中的多功能应用，涵盖自传感（self-sensing）、电磁屏蔽（EMI）、焦耳加热（Joule heating）及能源存储等特性。作者团队指出，通过优化前驱体（如PAN基、沥青基）和导电改性（如CNT掺杂、镍涂层），CFRP可突破传统结构材料局限，实现道路除冰、结构健康监测等创新应用，但规模化生产与长期耐久性仍是关键挑战。

　　

碳纤维增强聚合物（CFRP）的智能革命

Abstract

碳纤维增强聚合物（CFRP）凭借其卓越的机械性能、耐化学腐蚀和轻量化特性，已成为航空航天、交通和土木工程的核心材料。近年研究更聚焦于其电学与功能特性的拓展，使其具备"智能"属性。本文全面梳理了CFRP在原材料选择、导电性调控及多功能化（自传感、电磁屏蔽、自加热、能源收集与存储）的最新进展，并指出矿物基CFRP（MCF）可能是解决规模化生产与热稳定性的潜在路径。

Introduction

碳纤维（CF）与聚合物基体的结合创造了兼具高强度与导电性的复合材料。传统CFRP多用于承重结构，而智能化的突破始于对其电阻变化的利用：碳纤维断裂或剥离时，电阻变化可反映结构损伤。值得注意的是，电极接触质量直接影响压阻效应准确性——不良接触会导致拉伸负载下出现"负压阻"现象。四电极法的引入有效解决了接触电阻干扰问题。

Precursor

CFRP性能的根基在于碳纤维前驱体选择：

• 聚丙烯腈（PAN）：占商业CF的90%，碳化率>50%，但成本较高

• 沥青基：导电性优异（电阻率10^-5 Ω·m），但力学性能较弱

• 纤维素基：环保但碳化率仅20-30%

  有趣的是，木质素前驱体近年因其可再生特性受到关注，通过催化石墨化可将其导电性提升3个数量级。

Temperature

温度对CFRP功能特性具有双刃剑效应：

• 每升高10°C，环氧基CFRP电阻下降0.5-1.2%

• 但超过120°C时，树脂基体降解会导致导电网络破坏

  研究显示，在-30°C至60°C循环中，CFRP的压阻灵敏度保持稳定，这为其在极端气候区应用提供了可能。

Self-sensing properties

CFRP的自传感能力在不同载荷模式下表现迥异：

• 压缩：电阻变化率（ΔR/R₀）与应变呈线性关系

• 冲击：通过概率传感云算法可定位损伤位置，定位精度达±2cm

• 疲劳：10⁶次循环后仍保持85%的传感灵敏度

EMI shielding capability

电磁屏蔽效能（SE）的提升策略百花齐放：

• 化学沉积镍层：SE值达63.1dB（8.2-12.4GHz频段）

• 碳纳米管（CNT）喷涂：仅2.5g/m²用量即提升SE值20%

• 金属-碳纤维混编：镍丝与CFRP纱线混编的织物复合材料SE>50dB

Electric joule heating

道路除冰应用中的关键发现：

• 碳纤维纱线的加热效率比编织布高37%

• 镍涂层CFRP电热转换率提升32.5%

• 最佳填料含量为1.2vol%，过量会导致混凝土强度下降15%

Energy harvesting and storage concepts

CFRP作为"质量零增加"的能源载体：

• 压电-摩擦电混合系统：输出电压达12V/cm²

• 结构超级电容器：能量密度8.1Wh/kg，充放电循环5000次后容量保持率92%

Challenges and limitations

规模化应用的三大瓶颈：

1. 连续碳纤维的断裂会导致导电网络失效

2. 无线信号采集系统的功耗需降至μW级

3. 多功能协同机制尚未明确（如自传感与能源存储的相互干扰）

Conclusions

环氧树脂仍是CFRP最优基体，而PAN基碳纤维在多功能应用中展现最佳平衡性。未来研究应聚焦矿物基CFRP开发，其天然孔隙结构可能同时解决导电网络构建与界面粘结难题。值得注意的是，数字孪生技术与CFRP智能特性的结合，或将开创土木工程监测的新范式。