复合四手性超材料中的集成自感知损伤检测与机械增强技术

《International Journal of Mechanical Sciences》：Integrated Self-Sensing Damage Detection and Mechanical Enhancement in Composite Tetra-Chiral Metamaterials

本研究提出一种3D打印的连续碳纤维/PLA四向手性超材料，通过内置纤维的压敏特性实现自传感损伤检测与机械性能增强的协同设计。实验表明其抗压强度较纯PLA提升323.3%，并建立电阻变化与损伤演化的两阶段模型（纤维断裂阶段与断裂-接触共存阶段）。梯度拓扑优化使5%纤维含量结构性能匹配均匀10%设计，扩展负泊松比应变范围至0.4。该材料为兼具结构强度和智能监测的航空航天轻量化结构提供了新方案。

　　

韩斌|刘畅|郑佩媛|王怡诺|朱佳乐|叶宏西|张琦

西安交通大学机械工程学院，中国西安710049

摘要

将实时结构健康监测与高承载能力相结合，对于航空航天应用中的先进复合材料而言仍是一个关键挑战。本研究提出了一种3D打印的连续碳纤维/PLA四手性超材料，该材料通过嵌入纤维的压阻响应，实现了机械性能的提升和原位自感知损伤检测的统一。交叉重叠打印策略使得纤维能够无缝集成到复杂的对称拓扑结构中。该设计利用了四手性结构的压缩-剪切耦合变形模式，以实现均匀的应力分布和安全评估。实验结果表明损伤抵抗能力具有两阶段演变特性：在小变形（<0.25应变）时，由于纤维断裂导致电阻单调增加；而在大变形时，由于断裂和接触共存，电阻出现波动。在小变形下，电阻与机械应力之间存在统计学上的正相关关系。即使纤维含量仅为10%，该超材料的压缩强度也比纯PLA高出323.3%。通过调节中心支撑尺寸实现了非恒定厚度的梯度拓扑结构，将负泊松比应变范围扩展到了约0.4。值得注意的是，5%纤维含量的结构性能与均匀10%纤维含量的结构相当，显示出较高的材料效率。这项工作为多功能轻质结构的发展提供了一条潜在途径，在这种结构中，结构完整性与传感能力实现了协同作用，为需要同时具备高强度和智能健康监测的航空航天应用提供了重要潜力。

引言

高承载能力的复合结构因其出色的机械性能而受到广泛关注。连续碳纤维凭借其优异的强度重量比、高弹性模量、卓越的疲劳抵抗能力和抗腐蚀性，在碳基材料中脱颖而出[[1], [2], [3]]，这些材料被广泛应用于土木工程[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]、航空航天[[13], [14], [15], [16], [17], [18]]、能源[[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]以及其他工业系统[[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]中。

在服役过程中，承载结构——尤其是在航空航天应用中——不可避免地会受到复杂的载荷条件的影响，这可能导致变形、内部损伤或渐进性失效[[34], [35], [36], [37], [38]]。因此，及时检测这些损伤对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。传统的结构健康监测方法通常依赖于嵌入式或附加的传感器来检测变形、损伤和失效，以及环境影响，例如压电传感器[[39], [40], [41], [42], [43], [44]]、光纤[[45], [46], [47], [48], [49]]、热成像[[50], [51], [52], [53]]、X射线[[54], [55], [56]]和超声波技术[[57], [58], [59]]。然而，这些方法往往需要外部设备或嵌入式组件，这可能会影响结构完整性，或者仅限于表面级别的监测。

为了解决这些限制[[60], [61], [62]]，最近的研究集中在碳纤维增强复合材料（CFRCs）的压阻特性上——其机制在于应变与电阻之间的相关性：拉伸应变会增加纤维间距/减少接触，从而削弱导电网络并提高电阻；压缩应变会缩小间隙/增强接触，从而降低电阻。这种内在联系使得无需外部传感器即可实现原位健康监测，弥补了传统方法的缺陷。先驱性研究验证了这一点：Schulte等人[63,64]发现对CFRC层压板施加可变载荷会改变其电阻值。Chung等人[65]通过监测基于水泥的碳纤维增强混凝土的电信号，研究了循环光载荷下电阻变化的可逆性。Pan等人、Bouhamed等人[66]研究了光栅角度和层厚度对3D打印碳纤维增强PLA复合材料机械性能的影响，而Kazemi等人[67]则通过杨氏模量的变化评估了PLA的损伤演变。

随着3D打印技术的进步，纤维增强聚合物的制造方法也得到了发展。这使得生产复杂的结构成为可能，例如蜂窝结构和三维晶格结构。Zeng等人[68,69]使用熔融沉积建模（FDM）技术制造了连续纤维增强复合材料的蜂窝结构；Wang等人[70]通过3D打印工艺制备了三角波纹结构；Luan等人[71]使用FDM制备了连续碳纤维热塑性晶格桁架夹层结构，并确定了其电阻变化率（ΔR/R₀）与结构变形的关系。Wu等人[72]研究了3D碳纤维角锁编织复合材料在准静态和循环拉伸下的机电耦合行为，探讨了电阻与拉伸损伤之间的关系，并开发了机电本构模型以揭示内部损伤模式与电阻之间的联系。在本研究之前的研究中，已经证明了连续纤维增强负泊松比蜂窝结构的刚度和能量吸收性能得到了提升[73]，并且基于星形超材料的3D打印连续碳纤维/TPU多功能传感器也被开发出来，这些传感器对应变、应力和温度具有高灵敏度，适用于可穿戴设备和机器人应用[74]。尽管取得了这些进展，但大多数现有研究主要关注弹性变形范围，并且对损伤演变机制的洞察有限。此外，在轻质结构复合材料中整合可靠的自我感知能力和高承载性能的研究仍然不够充分。

本研究开发了一种3D打印的连续碳纤维/PLA四手性超材料，通过其内在的压阻行为实现了自我感知损伤检测与机械性能的提升的结合。与通常受局部弯曲或屈曲支配的传统负泊松比结构[75], [76], [77]不同，本研究的关键创新在于四手性超材料的压缩-剪切耦合变形模式，以及连续碳纤维的压阻效应，这使得损伤自我感知和机械性能的全面提升成为可能。建立了电阻变化与损伤演变之间的相关性，揭示了一个两阶段模型：在小变形阶段（主要由纤维断裂主导）电阻单调增加；在大变形阶段（以断裂和接触共存为特征）电阻出现波动。这种结构实现了多层次的协调变形和均匀的应力-应变分布，从而实现了对整体结构失效的早期预警。此外，还开发了非恒定厚度的梯度设计，进一步提升了能量吸收、压缩强度和模量的机械性能。这项工作开发了一种新型的复合四手性超材料，集成了高承载能力和实时健康监测功能，为飞机部件（如机翼蒙皮和机翼箱结构）提供了广阔的应用前景。

本研究的结构如下：第2节介绍了复合材料和超材料的材料、制备、测量和测试方法；第3节描述了它们的机电耦合响应，揭示了电阻变化的两阶段演变机制，验证了机械性能提升效果，并设计了非恒定厚度的梯度拓扑结构；第4节总结了主要结果，并展望了其在航空航天应用中的潜力及未来研究方向。

部分摘录

样品制备和实验方法

本节通过四个小节详细介绍了3D打印连续碳纤维/PLA复合材料和四手性超材料的材料、制备、测量和机械测试方法。2.1节介绍了所使用的碳纤维和PLA基体的性能参数；2.2节详细阐述了FDM制备过程、定制的打印路径、纤维含量控制方法和关键打印参数；2.3节介绍了样品的预处理和传感准备。

结果与讨论

本节包括两个核心部分，分别关注复合材料的表征和复合四手性超材料的性能分析，以及对超材料的微观失效分析。第一部分描述了复合材料在循环和单调拉伸、压缩和弯曲载荷下的机电耦合响应，揭示了电阻变化与损伤状态之间的相关性，并验证了机械性能的提升。

结论

本研究成功设计了一种3D打印的连续碳纤维/PLA四手性超材料，它结合了高机械性能和内在的自感知能力——无需外部或嵌入式传感器。主要研究结果总结如下：

首先，通过损伤抵抗相关性实现了内在的自感知。材料级别的测试（拉伸、压缩、弯曲）建立了稳健的损伤抵抗相关性，使得

作者贡献声明

韩斌：概念构思。刘畅：研究、数据整理。郑佩媛：研究、概念构思。王怡诺：形式分析、数据整理。朱佳乐：数据整理。叶宏西：研究。张琦：概念构思。