基于氧化锌纳米颗粒与铜网电极的自感知混杂纤维增强聚合物复合材料开发

《Polymer Composites》：Development of Self-Sensing Hybrid Fiber–Reinforced Polymer Composites: The Role of Piezoelectric Nanoparticles and Mesh Electrodes

　　

专业术语翻译的论文摘要 多功能自感知不饱和聚酯-玻璃织物复合材料利用氧化锌纳米颗粒与铜网电极制备而成。氧化锌填料的压电行为使其能够在弯曲载荷下产生电信号，从而使材料同时作为承载结构与传感元件。该聚合物复合材料在保持力学性能的同时产生了72.5 μV/MPa的电响应。研究人员观察到稳定的机电耦合特性，表现为机械载荷与所产生的电信号之间存在线性相关性。与碳纤维层的混杂将基于变形的灵敏度提升至2.56 mV/mm。嵌入铜网电极的自感知混杂复合材料的弯曲强度为230–270 MPa，弯曲模量为24–27 GPa，具体数值取决于ZnO含量。这些自感知复合材料采用传统材料与成本效益高的加工技术制成，突显了其作为结构部件与集成传感器在工业应用中的潜力。

论文解读文章

研究背景与科学问题

纤维增强聚合物复合材料因其优异的比强度、比刚度和韧性，在航空航天等对重量敏感的关键结构中应用日益广泛。然而，这类材料的最终失效往往突然发生，缺乏明显的可见损伤预警信号，因此对其结构状态进行连续监测至关重要。传统的宏观传感器集成方式容易削弱结构完整性并引发分层问题，促使研究者转向在复合材料体系中嵌入纳米尺度功能材料以实现自感知功能。当前，基于压电效应的自感知方案虽已有探索，但多涉及复杂制备工艺、高昂成本或有限的可重复性。此外，铅基压电材料如锆钛酸铅（PZT）虽然压电系数高，但其毒性引发了环境和健康担忧，亟需寻找无毒、低成本且易于规模化集成的替代方案。本研究正是针对上述问题，旨在开发一种兼具承载与自感知功能的低成本、易制造的结构面板材料，能够可靠地检测持续或循环机械加载状态。

研究内容与核心发现

研究人员成功开发了一种以氧化锌（ZnO）纳米颗粒为压电填料、铜网为嵌入式电极的自感知不饱和聚酯-玻璃织物复合材料。研究表明，该材料在弯曲载荷下可产生稳定的电信号，实现了72.5 μV/MPa的压电灵敏度，且机械载荷与电信号之间存在良好的线性关系。通过引入碳纤维层进行混杂化设计，基于变形的灵敏度进一步提升至2.56 mV/mm。所制备的自感知混杂复合材料保持了优异的力学性能，弯曲强度达230–270 MPa，弯曲模量为24–27 GPa。该工作证明了利用常规材料和成本效益高的工艺制备兼具结构功能与传感功能的多功能复合材料的可行性，为其在智能交通、基础设施监测等领域的工业化应用奠定了基础。

关键技术方法概述

本研究采用了以下关键技术方法：首先，以不饱和聚酯树脂（UPR）为基体，通过机械搅拌结合超声波均质分散技术将不同质量分数（10%、20%、30%、40%、50%）的ZnO纳米颗粒均匀掺入树脂中，其中用于复合材料的上限为20 m/m%以避免脆性增加。其次，采用手糊铺层与热压成型工艺（200 bar液压，80℃固化1小时，100℃后固化1小时）制备层合板，层合结构中嵌入了高纯度铜网作为电极，铜网经10%柠檬酸浴清洗30分钟以改善粘接。为对比混杂效果，设计了三种混杂构型：Type A（全玻璃纤维）、Type B（表层碳纤维+芯部玻璃纤维）、Type C（交替分布碳纤维与玻璃纤维）。样品切割为100 mm × 30 mm矩形条，并在室温下使用Agilent 34970A数据采集单元测量电压信号，采样时间200 ms；力学测试采用Zwick Z005万能拉伸试验机进行三点弯曲测试，跨距64 mm，速度1 mm/min或100 mm/min。

研究结果详述

1. ZnO含量对树脂压电性能的影响

通过对纯UPR树脂基体的研究，发现随着ZnO质量分数从10%增至50%，压电响应显著提高。在50 m/m%含量下，树脂基体达到约15 mV的最大输出电压和72.5 μV/MPa的压电灵敏度。研究还确认了电信号与施加应力之间的线性关系，表明机电耦合稳定可靠。然而，过高的填料含量会严重降低树脂的加工性，因此将复合材料中的ZnO含量上限设定为20 m/m%。

2. 玻璃纤维增强复合材料的自感知性能

对于含10%和20% ZnO的玻璃纤维增强复合材料，在循环弯曲加载下均表现出可重复的压电信号输出。含20% ZnO的复合材料在150 N载荷下产生的峰值电压约为5 mV，而含10% ZnO的样品约为2.5 mV。信号随载荷水平线性增加，且多次循环后未出现明显衰减，证实了材料的长期稳定性。尽管ZnO的加入使复合材料的弯曲强度略有下降（从约270 MPa降至230 MPa），但仍满足结构应用需求。

3. 玻璃/碳纤维混杂对自感知性能的影响

通过引入碳纤维层，混杂复合材料的刚度显著提升，进而改变了变形模式。基于载荷的灵敏度分析显示，碳纤维的存在并未大幅改变电压-载荷关系；但当以变形为基准评估时，混杂复合材料的灵敏度显著提高。Type C构型（碳纤维交替分布）在相同变形下产生了最高的电压输出，最大灵敏度达2.56 mV/mm，远高于全玻璃纤维构型的约1.2 mV/mm。这表明碳纤维增强了局部应变传递效率，从而放大了ZnO颗粒的压电响应。

4. 微观结构与界面表征

扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）显示，ZnO颗粒在树脂基体中分布较为均匀，无明显大规模团聚。铜网与基体之间的界面结合良好，未观察到明显脱粘或孔隙缺陷。光学显微镜观察进一步证实了层间结构的完整性和铜网的嵌入式整合。

讨论与结论

讨论总结：本研究表明，通过添加低成本的ZnO纳米颗粒和嵌入式铜网电极，可以赋予传统玻璃纤维增强聚合物复合材料可靠的自感知功能，且无需牺牲过多力学性能。与依赖昂贵纳米材料（如碳纳米管）或复杂制备工艺的方案相比，该方法具有显著的工业推广优势。玻璃/碳纤维混杂策略被证明是提升变形灵敏度的有效途径，尤其适用于对刚度要求较高的应用场景。研究中观察到的线性机电耦合响应使得通过电信号反推载荷或变形成为可能，为实时结构健康监测提供了基础。尽管ZnO的压电系数远低于PZT，但在结构自感知应用中，信号的可靠性和可重复性比高幅值更为关键，因此ZnO是完全可行的候选材料。

结论翻译：研究人员利用ZnO纳米颗粒和铜网电极成功开发了多功能自感知不饱和聚酯-玻璃织物复合材料。ZnO填料的压电行为使材料能在弯曲载荷下产生电信号，同时作为承载结构和传感元件。复合材料产生了72.5 μV/MPa的电响应，同时保持了良好的力学性能。研究观察到稳定的机电耦合特性，机械载荷与电信号呈线性相关。与碳纤维层的混杂使基于变形的灵敏度最高提升至2.56 mV/mm。嵌入铜网电极的自感知混杂复合材料弯曲强度为230–270 MPa，弯曲模量为24–27 GPa，具体取决于ZnO含量。这些自感知复合材料由常规材料通过成本效益高的工艺制成，凸显了其在工业应用中作为结构组件和集成传感器的潜力。