基于印刷傳感層電阻抗成像的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

鄭一飛 嚴(yán)剛 郭樹祥

摘要：本文提出通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將石墨烯導(dǎo)電碳油墨以及銀漿油墨印刷在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面形成智能傳感層，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別。采用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕的方式在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中引入多個(gè)損傷，通過(guò)在印刷傳感層的邊界電極依次注入微小的電流，測(cè)量獲得損傷前后傳感層邊界電壓變化，重建損傷引起的電導(dǎo)率變化圖像，從而提供有關(guān)損傷的信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，該印刷傳感層性能良好，重建的電導(dǎo)率變化圖像能夠較好地反映損傷的數(shù)量、位置和近似尺寸，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中損傷的定量監(jiān)測(cè)和識(shí)別提供了一種有前景的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；損傷監(jiān)測(cè)和識(shí)別；印刷傳感層；電阻抗成像

中圖分類號(hào)：V241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.011

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（2017ZA52005）；機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（MCMS-I-0218G01）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

復(fù)合材料因比模量大、比強(qiáng)度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。如波音787客機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量（質(zhì)量）的50%。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用中，不可避免會(huì)受到損傷，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)獲取損傷信息，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性、提高飛行安全具有重要意義[2]。

針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷，目前已經(jīng)研制了很多類型的傳感器，并發(fā)展了相應(yīng)方法對(duì)其進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)[3-4]。其中基于光纖傳感器和應(yīng)變、基于壓電傳感器和超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被認(rèn)為非常有應(yīng)用前景，經(jīng)過(guò)20多年研究已逐漸成熟并開始向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)應(yīng)用轉(zhuǎn)化[5-6]。但隨著材料、電子、信息等學(xué)科的發(fā)展，新的傳感和監(jiān)測(cè)方法也不斷涌現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)相互補(bǔ)充[7]，如基于各種印刷技術(shù)制備的傳感器以其成本低、易與結(jié)構(gòu)集成等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

早期發(fā)展的印刷傳感器以監(jiān)測(cè)應(yīng)變?yōu)橹?，如Zhang等通過(guò)絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷的方法將碳油墨蛇形應(yīng)變傳感器印制在柔性聚合物基底上，將其粘貼在結(jié)構(gòu)試件上進(jìn)行的拉伸和疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，印刷傳感器具有優(yōu)良的性能和可靠性，以及比傳統(tǒng)應(yīng)變片更高的靈敏系數(shù)，并在4000με、105疲勞次數(shù)下仍有良好的線性特征[8]；Zymelka等基于碳漿油墨，采用絲網(wǎng)印刷的方式制備了全向應(yīng)變傳感器，并以陣列的形式監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形，試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)變數(shù)據(jù)可有效反映并定位到裂紋發(fā)生的位置[9]。近來(lái)，新形式和新物理量測(cè)量的印刷傳感器也不斷發(fā)展，如Liao等應(yīng)用石墨烯等納米材料的壓阻特性，印刷制作了可以接收超聲導(dǎo)波的薄膜傳感器，由此可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電晶片傳感器用于損傷監(jiān)測(cè)[10]；Bekas等在修補(bǔ)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面噴墨印刷了環(huán)形的叉指型傳感器，用于監(jiān)測(cè)修補(bǔ)部位的脫黏以及沖擊損傷[11]。但現(xiàn)有印刷傳感器的研究大多局限于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中的單個(gè)損傷，還未采用印刷傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)中多個(gè)損傷的監(jiān)測(cè)和識(shí)別進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文提出應(yīng)用絲網(wǎng)印刷方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面直接印刷智能傳感層，結(jié)合電阻抗成像技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)中的多個(gè)損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別出損傷的數(shù)量、位置和大致尺寸，進(jìn)行了試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證所提出技術(shù)和方法的有效性。

1印刷傳感層的制備

本文首先制備了玻璃纖維層合板作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于在其表面印刷智能傳感層，并進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)和識(shí)別試驗(yàn)。將10層厚度為0.2mm的玻璃纖維平紋布進(jìn)行手工鋪層，均勻涂布混合固化劑的環(huán)氧樹脂，并保證層間無(wú)氣泡且纖維布被樹脂完全浸漬。鋪層完畢后，使用重物壓實(shí)，在常溫下固化24h成形，并裁剪成尺寸為200mm×200mm的試件，其厚度為2.1mm。

采用絲網(wǎng)印刷的方式將導(dǎo)電油墨印刷在層合板表面作為智能傳感層。絲網(wǎng)印刷的網(wǎng)版圖案在CAD軟件中設(shè)計(jì)，傳感層的尺寸為100mm×100mm，在其四周邊界等距離布置16個(gè)電極并與導(dǎo)電線路連接，導(dǎo)電線路的寬度為2mm。圖1（a）為傳感層的印刷流程：（1）將層合板安放在絲網(wǎng)印刷臺(tái)上，在其上部放置傳感層網(wǎng)版；（2）在網(wǎng)版的上表面一側(cè)倒入石墨烯導(dǎo)電碳油墨，用刮刀傾斜一定的角度將油墨從網(wǎng)版一側(cè)刮到另一側(cè)，印刷得到石墨烯導(dǎo)電碳油墨傳感層；（3）將印刷了傳感層的層合板放置在100℃的烘箱中，固化10min后取出；（4）將導(dǎo)電線路網(wǎng)版按照與傳感層對(duì)應(yīng)的位置放置在層合板上，在網(wǎng)版上表面一側(cè)倒入銀漿油墨，用同樣的方法將導(dǎo)電線路印刷在層合板表面，在烘箱中固化10min后得到導(dǎo)電線路。圖1（b）為印刷了傳感層和導(dǎo)電電路的玻璃纖維復(fù)合材料層合板。

2電阻抗成像

電阻抗成像原是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以生物體內(nèi)電阻抗的分布或變化為重建目標(biāo)的一種無(wú)損傷成像技術(shù)[12]，近年來(lái)被引入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，用于對(duì)導(dǎo)電的碳納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，取得了良好的效果[13-14]。

電阻抗成像包括正問(wèn)題和逆問(wèn)題兩個(gè)方面的內(nèi)容。正問(wèn)題是在已知物體內(nèi)部電導(dǎo)率分布情況下，計(jì)算由邊界電流激勵(lì)信號(hào)而產(chǎn)生的內(nèi)部場(chǎng)域電勢(shì)分布。通常注入的電流頻率很低，電流場(chǎng)可作為穩(wěn)態(tài)場(chǎng)處理，電壓—電流關(guān)系由帶有適當(dāng)邊界條件的拉普拉斯方程決定，即：

式（8）給出的Tikhonov正則化解中，正則化參數(shù)的選擇很關(guān)鍵，決定計(jì)算速度和成像質(zhì)量。當(dāng)參數(shù)取值過(guò)小，計(jì)算結(jié)果接近問(wèn)題的真實(shí)解，但會(huì)影響解的穩(wěn)定性；當(dāng)參數(shù)取值過(guò)大時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)偏離真實(shí)解，嚴(yán)重影響解的準(zhǔn)確性。本文中選用L曲線法來(lái)選取正則化參數(shù)[17]。L曲線法通過(guò)將式（7）中的正則化項(xiàng)和殘差項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比來(lái)尋找一種平衡關(guān)系確定最優(yōu)正則化參數(shù)，使得正則化項(xiàng)和殘差項(xiàng)都比較穩(wěn)定。該方法形成的圖形類似于L形狀曲線，其拐點(diǎn)（平衡點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的參數(shù)值即為所選取的最優(yōu)正則化參數(shù)。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

鄭一飛（1995-）男，碩士。主要研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

Tel：13016980671E-mail：zhengyifei@nuaa.edu.cn

嚴(yán)剛（1981-）男，副教授，博士。主要研究方向：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

Tel：13951965703

E-mail：yangang@nuaa.edu.cn

郭樹祥（1976-）男，副教授，博士。主要研究方向：結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估。

Tel：15251870112

E-mail：nuaagsx@nuaa.edu.cn

Damage Detection for Composite Structures by Using Printed Sensing Layer and Electrical Impedance Tomography

Zheng Yifei，Yan Gang*，Guo Shuxiang

State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： In this paper， an intelligent sensing layer is proposed to detect and identify damage by directly printing conductive graphene-doped carbon ink and silver ink on the surface of composite structure through screen printing technology. Quasi-static indentation method is adopted to introduce multiple sites of damage in the composite structure， and then tiny currents are sequentially injected into the electrodes pairs on the boundary of the printed sensing layer. According to the corresponding measured change of boundary voltages before and after damage， the images about the distribution of electrical conductivity change caused by the damage are reconstructed， providing useful information about the damage. Experimental results have demonstrated that， the printed sensing layer is well performed and the reconstructed tomographic images can successfully indicate the number， locations and approximate sizes of the damage， providing a promising technique for quantitative damage detection and identification for composite structures.

Key Words： composite structure； damage detection and identification； printed sensing layer； electrical impedance tomography