集结构承载和自感知为一体的智能碳纳米纸/纤维增强复合材料及结构

针对大面积纤维增强复合材料（FRP）结构在服役过程中损伤监测与评价的问题，本课题开展基于内置碳纳米纸的智能纤维增强复合材料研究，使其兼具结构承载和变形、损伤自感知的特性，从而实现大面积FRP结构服役过程的损伤监测与评价。针对该智能FRP材料结构，首先，开展连续、取向碳纳米纸制备原理、方法及微观结构、传感性能优化研究；然后，研究树脂基碳纳米纸应变传感器制备理论、方法及其力学和传感性能，发展其应变传感模型；再次，开展集承载与感知为一体的碳纳米纸智能FRP材料制备、力学和传感性能的理论和试验研究，建立该智能复合材料的本构模型，通过智能复合材料不同载方式与损伤状态电阻监测信息之间的关系，揭示复合材料的损伤特征；最后，进行基于碳纳米纸神经元网络的FRP板结构自监测系统与试验验证研究，提出FRP板自监测方法，进行FRP损伤识别、定位和评价。本项目为FRP材料结构服役过程的损伤监测与评价提供一种新方法。

纤维增强复合材料（FRP）以其轻质、高强、耐腐蚀等特点，目前不仅大量应用到航空、航天领域，另外在土木工程、汽车、能源及化工等领域的应用日益扩大。但是纤维增强复合材料存在脆性破坏、抗冲击性能差、变形较大等不足，为此纤维增强复合材料结构服役过程的变形，裂纹、损伤的实时结构健康监测、识别和评价，对于保证复合材料结构使用安全、节约维护费用、缩短维护周期以及优化新型结构设计具有重要的经济和社会意义。目前复合材料结构健康监测和结构安全评价的主要采用基于光纤传感器、压电传感器等感知系统，但是这些监测元器件存在尺寸大不适合埋入，以及只能实现局部信息的监测，不能实现大面积结构信息的获取。碳纳米纸是由于纯碳纳米管等碳纳米材料通过范德华力构成的具有微观孔隙、压阻感知特性的宏观准二维薄膜材料，可以作为纤维增强复合材料内置二维传感元件，从而制备集合力学承载与性能自感知为一体的多功能复合材料，实现复合材料服役过程的结构健康监测、安全评价和分析。本项完成的研究内容和成果如下：首先，完成了连续碳纳米纸成型方法和成型工艺参数优化研究，成功研制了基于真空过滤连续碳纳米纸成型装置，进行了碳纳米原材料配比性能优化，同时开发了基于化学气相沉积理论的纳米纸原位连续、取向成型装置，进行了取向碳纳米纸成型工艺参数优化；其次，研究了树脂基碳纳米纸应变传感器制备方法和感知性能优化，建立了应变与纳米纸电阻变化性之间的感知原理，结果表明其应变传感灵敏度系数达到6左右，好于传统的应变片传感器，而且与传感单元的尺寸无关；在此研究了集成碳纳米纸传感纤维增强复合材料对其力学性能的影响规律，结果表明纳米纸可以与复合材料形成良好的粘结，对于纯单壁碳纳米纸其对复合材料力学性能没有影响；最后，利用纳米纸建立了复合材料内部神经元传感网络实现了大面积复合材料板表面的损伤及荷载作用位置的识别，通过纳米纸电阻变化率的发展规律揭示了复合材料的单向拉伸破坏规律。