碳纤维平针纬编复合材料的宏观导电行为与微观电阻分布

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Macro-scale conductive behavior and micro-scale resistance distribution of carbon fiber plain weft knitted composites

　　摘要
碳纤维平纹纬编织物复合材料表现出优异的导电性和对曲面的贴合性，在具有不规则几何形状的先进纤维增强复合材料结构中作为传感单元具有巨大潜力。本文研究了碳纤维平纹纬编织物复合材料的导电行为，以揭示编织工艺参数和结构对微观尺度电阻分布的影响。基于编织拓扑结构和纱线接触行为，构建了等效导电网络模型，以确定由纱线内部自接触和纱线间接触产生的接触电阻。建立了导电行为的有限元模型，以展示表面和点电流加载下的电流和电势分布。我们发现，沿线圈横列方向（纱线取向）的导电率高于沿线圈纵行方向（线圈相互串套方向）。横列方向的电流传导主要由纱线轴向导电率主导，而纵行方向的电流传导则受纱线轴向和横向导电率的共同控制。表面加载下的电势从电流输入端到输出端均匀降低。点加载下的电流集中在电流输入端和输出端之间的直接连接路径上。编织复合材料的宏观导电行为由碳纤维纱线、纱线内部自接触和纱线间接触这三种导电路径的数量和导电率决定。这项工作为具有复杂线圈结构的碳纤维编织复合材料的导电行为设计和应用提供了新的见解。

引言
纤维增强复合材料凭借其高比强度、高比刚度以及优异的疲劳和耐腐蚀性能，已成为航空航天、风能、汽车和轨道交通等高端装备轻量化设计的核心材料[1], [2], [3], [4]。这些复合材料在制造和使用过程中对低速冲击载荷高度敏感，容易诱发基体开裂、分层和纤维断裂等微观损伤。此类损伤的渐进扩展可能导致灾难性的结构失效[5], [6], [7]。因此，冲击损伤监测对于确保复合材料结构的全寿命周期安全具有重要的工程价值[8], [9], [10]。与传统的无损评估技术[11]如声发射[12]和超声导波[13]相比，电阻测量已被证明能够监测内部损伤，包括纤维断裂和基体裂纹[14], [15]，并具有原位能力、稳定性、实时响应和易于分布式集成等突出优势。导电传感元件的电阻变化可以表征冲击损伤的萌生、扩展和位置，而无需依赖复杂的光学或声学设备，从而表现出强大的工程适用性[16]。

对于本身绝缘的复合材料（如芳纶和玻璃纤维增强复合材料），通常需要额外的导电传感层来实现电阻式损伤监测。根据传感元件的形式，这些传感层可分为导电颗粒型和导电纤维型。颗粒型依赖于碳纳米管（CNTs）、石墨烯和MXene等纳米填料构建传感网络，具有重量轻和成形灵活的优点。Uribe-Riestra等人采用基于聚合物复合材料内CNT网络电阻变化的技术来评估多尺度层状复合材料的低速冲击损伤[17]。Zhao等人将CNT薄膜嵌入热塑性复合材料中，用于低能量冲击监测和自修复[18]。Zhu等人将优化的CNT传感层应用于平纹玻璃织物，并结合三维电阻抗断层成像（EIT）、机电耦合建模和机器学习，实现了非平面拱形复合材料结构的结构健康监测[19]。Zehni等人开发了一种嵌入式的Ti3C2Tx MXene涂层玻璃纤维传感架构，用于实时检测和厚度方向评估玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板的低速冲击损伤[20]。尽管这些研究展示了颗粒型传感层的灵敏度潜力，但填料团聚、长期循环稳定性差、大面积制造成本高以及稳定制造的瓶颈等问题仍然阻碍了其工程应用。

导电纤维型使用连续导电纤维（如碳纤维）作为传感载体，利用纤维固有的电阻响应进行损伤自传感。此类纤维可以直接嵌入层合板或格栅芯夹层结构中，以实现冲击、分层和压痕损伤的定位。这种类型的优势在于纤维网络本身同时承受载荷和进行传感，提供稳定的信号响应和强的抗干扰能力。Schmidová等人将三种具有不同断裂伸长率的碳纤维束嵌入玻璃纤维层合板中，验证了PAN基碳纤维在循环加载下的电阻信号稳定性，并实现了有效的冲击损伤检测[21]。Jovarauskaite等人开发了三维交织碳纤维网格夹层复合材料，并通过16通道电阻映射完成了压痕、冲击和分层损伤的定位和定量监测[22]。Zehni等人设计了一种全嵌入式碳纤维网格，能够在GFRP/CFRP层合板中进行高频（25 kHz）电阻监测，捕获低至3 J的冲击产生的表面下隐藏损伤，同时将层间剪切强度提高约11%[23]。Han等人提出了一种3D打印的连续碳纤维/PLA四手性超材料，通过嵌入纤维的压阻响应实现了机械增强和原位自传感损伤检测的集成[24]。Uribe-Riestra等人将CNT纱线集成到GFRP中，用于弯曲和冲击下的损伤自传感和定位[25]。Han等人证实碳纤维平纹织物复合材料可以作为集成传感层，实现自应力传感和损伤监测，而无需额外的传感元件[26]。然而，现有的导电纤维型传感层大多采用分布式纤维束设计[21], [22]、单向铺层[27]或平纹织物[28]，其曲面贴合性差，大面积监测适用性有限，难以适应航空航天等领域异形复合材料部件的复杂服役场景。

平纹纬编结构凭借其独特的线圈相互串套拓扑构型，展现出突出的应用潜力。平纹纬编织物中的弯曲纱线相互串套，线圈结构具有优异的形状变换能力[29], [30]，赋予织物出色的表面贴合性和变形适应性[31]。Park等人研究了编织结构（平针、绞花和集圈）对镀银纱线织物电性能的影响，发现编织结构对性能的影响大于导电纱线数量[32]。Li等人基于2+2罗纹编织织物结构和涂覆EGaIn液态金属的聚四氟乙烯（PTFE）纤维，提出了一种在大变形下具有优异导电稳定性的超可拉伸导电体设计[33]。Wang等人建立了带有鸟眼背衬的双色提花纬编导电织物的三阶段电阻网络模型，以预测横列方向的电阻[34]。Zhou等人建立了纵向拉伸下多级编织结构导电织物的电阻-应变关系解析模型[35]。尽管编织结构的导电行为已引起关注，但这些研究通常简化了一些实际导电路径，以预测单一方向（通常为横列方向）的导电行为。基于编织结构内部实际微观电阻分布，深入理解包括横列和纵行方向的宏观导电行为，对于编织结构织物和复合材料的导电行为设计和应用具有重要意义。

本文研究了碳纤维平纹纬编织物复合材料的宏观导电行为和微观电阻分布。制备了纯碳纤维编织复合材料，以分析纱线空间形态和接触行为，并计算平面接触密度。设计了碳/玻璃纤维混杂平纹纬编织物复合材料，构建了等效导电网络模型，以计算内部接触电阻，包括纱线内部自接触和纱线间接触。建立了有限元导电模型，以揭示表面和点加载模式下电流传导、电势分布与线圈结构之间的关系。本研究旨在揭示编织拓扑结构和编织工艺参数对平纹纬编织物复合材料导电特性的影响，以促进碳纤维编织结构作为传感层的应用。

材料与方法
材料
碳纤维纱线（T800，12K，直径7 μm，密度1.81 g/cm3）由恒神股份有限公司（中国）提供。玻璃纤维粗纱（直径12 μm，密度2.56 g/cm3）由山东森虹工程材料有限公司提供。基体为苏州吴氏化学有限公司提供的ZTC-02A/B环氧树脂。

平纹纬编预制体的制备
平纹纬编预制体采用电脑横机（龙星SCE-131A）编织。编织工艺参数设定如下：机号为7针/英寸。

几何模型
基于碳纤维纱线在平纹纬编95结构中的空间路径（图4），精确测量了线圈的关键几何参数。使用SolidWorks构建了平纹纬编结构的三维几何模型（树脂基体被视为绝缘体，因此忽略）。图8(a)展示了横列方向的一个重复单元、梁单元的建立以及纱线方向的定义。基于测量结果...

导电率测量结果
图10显示了平纹纬编碳纤维复合材料的平面导电率测试结果。对于同一样品，横列方向的导电率高于纵行方向。在相同的满针条件下，当弯纱深度（线圈长度）从95减小到75时，横列和纵行方向的导电率均增加。在相同的弯纱深度95下，满针和集圈结构的横列和纵行导电率接近。...的影响

结论
本文研究了编织领域中碳纤维平纹纬编织物复合材料的微观电流传导路径和宏观导电行为，旨在揭示编织工艺参数（弯纱深度设定）和编织结构（集圈）的影响。系统分析了纱线空间形态和接触行为。通过碳/玻璃纤维混杂增强复合材料，构建了等效导电网络模型以确定...

CRediT作者贡献声明
Pibo Ma：写作 – 审阅与编辑，监督。Qingping Liu：写作 – 初稿，方法学，调查。Mingqi Xue：调查。Zhijia Dong：方法学。Yousong Xue：写作 – 审阅与编辑，方法学，调查，概念化。

利益冲突声明
? 作者声明，他们之间没有已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（52373058）、中国纺织工业联合会应用基础研究基金（J202408，J202504）、无锡市科技发展基金项目（K20252020）以及中央高校基本科研业务费（项目号：JUSRP202501138，2232026G-02）的资助。

Qingping Liu|Mingqi Xue|Zhijia Dong|Yousong Xue|Pibo Ma