《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Hygrothermal aging behavior and multi-scale damage evolution of pultruded GFRP composites characterized by acoustic emission and digital image correlation
编辑推荐：
•多尺度因果链将化学结构与宏观-微观损伤联系起来。•老化使失效模式从基体开裂转变为界面结构脱粘。•严重老化导致阶梯式疲劳刚度退化和棘轮效应。•将b值权重整合到声发射模型中，以2.4%的误差预测强度。引言与传统的陶瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子因其优异的强重比、出色的疏水性和易
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多尺度因果链将化学结构与宏观-微观损伤联系起来。
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老化使失效模式从基体开裂转变为界面结构脱粘。
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严重老化导致阶梯式疲劳刚度退化和棘轮效应。
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将b值权重整合到声发射模型中，以2.4%的误差预测强度。
引言
与传统的陶瓷或玻璃绝缘子相比，复合绝缘子因其优异的强重比、出色的疏水性和易于安装等优势，已在全球高压输电线路中得到广泛应用[1]，[2]。这些绝缘子的主要承载部件是芯棒，通常由拉挤单向玻璃纤维增强聚合物复合材料制成，其力学响应和结构稳定性从根本上取决于拉挤过程中纤维分布的均匀性和树脂浸渍质量[3]，[4]，[5]。然而，在户外环境长期服役过程中，这些芯棒不可避免地会暴露于耦合湿热应力。水分的侵入会严重损害GFRP芯棒的结构完整性，导致力学性能不可逆地退化[6]。在工程实践中，这种退化通常表现为"脆性断裂"和"腐朽状断裂"等灾难性失效模式，这些失效可能在远低于设计限值的运行载荷下意外发生[7]。这些失效不仅会导致线路突然掉落和停电，还会对电网构成重大安全隐患。因此，了解湿热条件下拉挤GFRP的退化机理和损伤演化对于复合绝缘子的全生命周期管理和安全评估至关重要。
GFRP复合材料的湿热老化涉及由水分侵入引发的一系列复杂的物理和化学过程的相互作用。最近的综合评估表明，根据材料结构和环境严重程度的不同，水扩散通常遵循Fickian动力学或两阶段降解动力学[8]，[9]。水分的渐进侵入是后续宏观力学性能退化的重要原因。水分吸收后，水分子主要作为增塑剂破坏范德华力，引起可逆的基体膨胀，同时化学水解等不可逆现象会劣化纤维-基体界面剪切强度[10]，[11]，[12]，[13]。从理论角度来看，这种微观尺度的退化损害了微观力学剪切滞后载荷传递，从而驱动宏观力学性能的衰减。表征微观性能（如玻璃化转变温度的降低和局部应变变化）已被证明对于阐明这些协同退化机理至关重要[14]。进一步的研究强调，如此复杂的服务条件和恶劣的热化学环境会严重降低纤维增强复合材料及其结构接头的界面完整性和长期耐久性[15]，[16]，[17]。尽管残余强度的降低已有充分记录，但仍缺乏系统研究阐明这种湿热诱导的界面退化如何从根本上驱动宏观失效模式的动态转变。
在实际服役环境中，复合绝缘子不仅承受持续的静态张力，还承受由风致振动、舞动和风振引起的复杂动态循环载荷[7]，[18]。因此，了解湿热老化GFRP的疲劳行为对于长期可靠性评估至关重要。已有大量工作致力于表征环境因素影响下复合材料的疲劳寿命。例如，Kawai等人[19]广泛研究了单向复合材料的偏轴疲劳行为，并提出了概率S-N模型来预测不同温度下的失效寿命。类似地，Staroverov等人[20]和Liu[21]关注宏观刚度退化率，建立了幂律关系来量化循环载荷下的累积损伤。然而，这些宏观研究通常关注最终疲劳寿命或整体刚度衰减，往往将内部退化视为"黑箱"。目前缺乏原位实验证据来揭示基体增塑和渐进界面退化如何动态相互作用以驱动疲劳损伤累积。阐明这种动态演化对于确定结构健康监测的可靠早期预警指标至关重要。
为了准确表征复合材料的损伤状态，常规的无损检测（NDT）和微观表征技术（如超声扫描、X射线计算机断层扫描（CT）和扫描电子显微镜（SEM））已被广泛采用[22]，[23]，[24]。然而，这些方法主要局限于事后分析或间歇性检测，无法捕捉损伤演化的实时动态。与这些传统结构健康监测（SHM）方法相比，声发射（AE）已成为一种有效的原位工具，能够在复杂服役条件下进行实时损伤评估[15]，[25]。大量研究利用无监督模式识别算法（如k-means和模糊c-means聚类），根据幅值和频率等信号参数将AE信号分类为不同的失效模式[26]，[27]。互补地，数字图像相关法（DIC）是一种非接触式光学技术，通过跟踪试样表面的随机散斑图案来计算全场位移和应变分布[28]。它在可视化介观应变局部化和跟踪宏观裂纹扩展路径方面特别有效。尽管多模态监测技术越来越多地被用于复合材料的结构健康评估，但大多数利用耦合AE和DIC的研究尚未涉及环境老化受损材料中复杂的损伤累积动力学[29]，[30]，[31]。利用这种多模态方法专门研究湿热老化GFRP损伤演化的研究还很稀缺，特别是关于水分诱导的界面退化如何从根本上改变载荷承受过程中微观声发射特征与宏观应变模式之间相关性方面的研究。
确定复合绝缘子的服役老化状态并预测其残余承载能力仍然是主要的工程目标[7]，[32]。由于传统破坏性测试会使构件不可用，而理论损伤模型通常依赖于难以原位测量的参数，声发射已成为结构健康监测的有力替代手段[33]，[34]。Caprino等人[35]和Yang等人[36]的基础研究成功建立了累积声能与残余强度相关的半经验关系，证实声活动是内部损伤累积的可靠描述指标。此外，最近的高级分析框架进一步证明了通过综合实验表征和预测建模将环境退化机理与宏观性能衰减直接关联的可行性[37]，[38]。然而，尽管取得了这些进展，现有方法通常将损伤表征和强度预测视为孤立的任务。大多数方法要么只定性地识别失效模式，要么只定量拟合强度数据，导致缺乏一个整合这两方面以实现综合安全评估的统一框架。
针对上述识别的空白，本研究的主要目的是提出一个综合评估框架，以探究微观物理化学变化与由此产生的宏观力学退化之间的潜在相关性。在微观层面，采用FTIR和DMA来表征基体增塑和界面渐进弱化的协同演化。随后在宏观层面进行静态和疲劳力学测试以量化整体性能退化。此外，采用耦合AE和DIC技术进行原位介观监测，以系统追踪实时损伤累积过程。基于这些研究，开发了一个结构健康监测框架，将定性声发射b值评估与基于超早期声发射计数率的定量残余强度模型相结合。这种双重方法为复合绝缘子的全面生命周期管理提供了稳健的准非破坏性策略。
章节摘要
样品制备
单向玻璃纤维增强聚合物复合材料通过连续拉挤工艺制成，采用双酚A型环氧树脂基体（型号为E51）和ECR玻璃纤维，两者均由中国淄博太光提供。为了精确量化内部微观结构并确保后续力学分析的严谨性，通过ImageJ软件进行数字图像处理来确定纤维体积分数。代表性截面SEM
吸水行为
如图2(a)所示，85/85条件下单向拉挤GFRP的吸水行为可分为两个明显阶段。在初始阶段，当老化时间在26天以内时，质量增益与线性增加。这种线性表明水分传输主要由浓度梯度驱动。吸水曲线表现出与Fickian动力学一致的行为，从而可以估算扩散系数
结论
本研究对拉挤GFRP复合材料的湿热老化行为和损伤演化进行了全面的多尺度研究。水分侵入遵循Fickian扩散动力学，引发物理增塑和化学水解，共同促进纤维-基体界面的渐进弱化，并最终导致结构脱粘。暴露60天后，静态抗拉强度和抗弯强度分别降低了15.03%和15.30%
CRediT作者贡献声明
Xiheng Xu（徐希恒）：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，软件，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Run Zhang（张润）：软件，形式分析，数据整理。Yijun Du（杜一鸣）：调查，形式分析，数据整理。Yizhuo Gu（顾一卓）：验证，监督。Yiliang You（尤一良）：写作——审阅与编辑，写作——初稿，监督，方法学，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到国家电网公司研发项目资助[项目编号：5500-202455305A-1-2-LZ，长寿命复合绝缘子开发]。我们感谢材料科学与工程国家实验教学示范中心提供物理化学和力学测试设施，感谢董亚丽教授在DIC测量中的技术支持。作者还感谢使用生成式人工智能
Xiheng Xu（徐希恒）| Run Zhang（张润）| Yijun Du（杜一鸣）| Yizhuo Gu（顾一卓）| Yiliang You（尤一良）
