《Journal of Natural Fibers》：Moisture Monitoring in Hemp Fiber Reinforced Polymers with Embedded Capacitive Sensors: Performance and Structural Implications
编辑推荐：
天然纤维增强聚合物（NFRPs）具备高比强度与可持续性，使其在结构应用领域极具潜力。然而，吸湿会改变NFRP的力学性能，并因不可逆损坏（包括微裂纹及纤维与基体的脱黏）而威胁其耐久性。为确保产品生命周期内机械性能的稳定性，研究人员评估了利用嵌入式电容式传感器，在
天然纤维增强聚合物（NFRPs）具备高比强度与可持续性，使其在结构应用领域极具潜力。然而，吸湿会改变NFRP的力学性能，并因不可逆损坏（包括微裂纹及纤维与基体的脱黏）而威胁其耐久性。为确保产品生命周期内机械性能的稳定性，研究人员评估了利用嵌入式电容式传感器，在不削弱基体结构的前提下，监测大麻纤维强化聚合物吸湿情况的可行性。吸湿测试结果显示，传感器电容与层压板含水量之间存在高度相关性，尽管吸湿过程与中央嵌入式传感器的响应之间存在显著延迟。三维（3D）扩散分析证实，外层复合材料层达到临界含水率时，中央传感器才检测到变化。四點弯曲测试揭示，吸湿会降低弯曲模量，而嵌入式传感器并未造成额外的刚度损失。然而，双悬臂梁（DCB）测试指出，由于传感器与基体界面强度不足，商用传感器会削弱第一模态（Mode I）断裂韧性。这些研究结果证明了原位含水率监测的可行性，但也凸显了改善传感器设计的必要性。未来研究应优先考虑提升空间分辨率、将结构影响降至最低，以及采用可持续的传感器基板材料，以便为NFRPs的含水率监测建立可靠的损坏准则与预测模型。
天然纤维增强聚合物（NFRPs）因其高比强度和可持续性，被视为传统合成复合材料的替代品，在轻量化结构应用中潜力巨大。然而，天然纤维的亲水性导致NFRPs吸湿严重，引发纤维膨胀、基体微裂纹以及纤维-基体脱黏等不可逆损伤，从而改变其力学性能并威胁耐久性。现有研究对吸湿影响力学性能的结论不一，且吸湿机制复杂（包括扩散、毛细运输和微裂纹传输），传统一维（1D）扩散模型因忽略边缘效应误差可达50%。因此，为保障NFRP结构长期稳定，亟需开发一种不削弱结构本身的水分原位监测方法。本研究旨在评估嵌入商用电容式传感器监测大麻纤维增强聚合物（HFRP）层压板吸湿的可行性，并探究其对力学性能的影响，为设计优化的传感器系统提供基础。该论文发表在《Journal of Natural Fibers》。
研究人员为开展研究，主要采用了以下关键技术方法：1）**真空辅助树脂传递模塑（VARTM）** 制备大麻纤维增强环氧树脂层压板，传感器嵌入层压板中心；2）**水分吸收测试**（80°C水中浸泡44小时）结合阻抗测量（Bode 100网络分析仪，10 kHz）获取传感器电容变化与质量增加；3）**三维（3D）扩散有限元分析**（Abaqus CAE 2025，基于Fickian扩散系数）模拟水分浓度分布；4）**四點弯曲测试**（依据DIN EN ISO 14125，zwickiLine Z5.0，5 kN载荷传感器）评估弯曲模量；5）**双悬臂梁（DCB）测试**（依据ASTM D5528，相机追踪裂纹扩展）评估I型（Mode I）断裂韧性。样本来源：大麻纤维织物（Fuse GmbH）和环氧树脂体系（RIMR 426/RIMH 435，混合比100:26），商用MK33-W电容式传感器（Innovative Sensor Technology IST AG，厚度400 μm）。共测试25个四點弯曲试样（7个有传感器、14个无传感器、4个干参考）和5个DCB试样。
**电容式传感器对水分吸收的响应**：通过水分吸收测试，研究人员发现传感器电容与层压板质量增加之间存在线性相关性，但存在显著延迟。平均质量在最初4小时内快速增加2.75%，44小时后达到9.5%饱和值；而传感器相对电容在前8小时几乎不变，44小时后平均增加8.31%。相关性曲线显示，在质量增加达到约6%之前传感器无响应，此后每增加1%质量对应约2.5%相对电容增加。3D扩散模拟证实，水分从外向内扩散，中心传感器区域在20小时后才达到显著浓度，而外层在4小时即达到临界水平。结论：单中心传感器无法及时检测外层临界水分，需多层传感器阵列提高空间分辨率。
**水分和嵌入式传感器对弯曲性能的影响**：四點弯曲测试表明，水分含量升高显著降低弯曲模量。干参考试样的最大切线模量为13.83 GPa，而含水量9.64%的无传感器试样降至4.46 GPa，含水量9.45%的有传感器试样降至3.82 GPa。再干燥试样（含水量4.27%）模量恢复至6.83 GPa，表明部分可逆。嵌入式传感器对弯曲模量的影响无统计学显著性（Welch t检验，p=0.11143，95%置信区间包含零）。此外，湿试样因过度弯曲无法测定弯曲强度，表明吸湿显著增加延展性。结论：水分是降低弯曲模量的主要因素，嵌入式传感器未额外削弱弯曲刚度。
**嵌入式电容式传感器对I型断裂韧性的影响**：DCB测试显示，商用传感器显著降低I型断裂韧性。基于修正梁理论（MBT）的R曲线在传感器位置（裂纹长度132.5–142.5 mm）出现约14%的下降（从1465 J/m2降至1260 J/m2左右）。合规校准（CC）方法得到相似趋势但数值高约200 J/m2。失效分析发现，除一个试样外，均出现传感器-基体界面粘附失效，且传感器结构本身也可能断裂。粘附失效导致断裂韧性下降，而弱传感器-基体界面是常见原因。此外，由于塑料变形（违反ASTM D5528线弹性假设）和纤维桥接效应，所得绝对断裂值不可靠，但相对比较明确证实传感器削弱了I型断裂韧性。结论：商用传感器因弱界面损害了层压板抗分层能力，但通过匹配基体材料的传感器基底（如聚醚酰亚胺PEI）和微型化设计可缓解此问题。
总结讨论部分：研究人员指出，虽然嵌入式电容式传感器监测NFRP水分是可行的，但当前商用传感器设计不完善，导致空间分辨率不足和结构削弱。未来需开发传感器阵列以提高空间分辨率，并采用与基体相容的材料（如PEI基底）以增强界面粘附，避免I型断裂韧性下降。此外，应避免塑料变形以获得可靠的绝对断裂韧性值，并关注可持续材料（如生物基基体）和传感器。研究结论翻译为：测试结果表明，利用嵌入式电容式传感器监测NFRP层压板的水分吸收是可行的，但需要精密的传感器设计。需要传感器阵列而非单个传感器来实现空间分辨率，确保在整个层压板中识别临界水分水平。此外，传感器材料必须与基体材料匹配以避免削弱效应，特别是传感器与基体之间的强粘附对于防止I型断裂韧性降低至关重要。同时，应确定无塑性变形下的有效绝对I型断裂韧性值及其他力学性能（如II型断裂韧性），以更全面评估结构影响。
