基于PET-CNT自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)插層的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間增韌-結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)一體化響應(yīng)

摘" 要：為了避免玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRC）在服役過(guò)程中由于局部分層損傷造成災(zāi)難性整體失效，采用高孔隙率、薄型聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）非織造纖網(wǎng)構(gòu)筑PET-碳納米管（CNT）自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)插層，再將插層嵌入玻纖增強(qiáng)體層間一體成型，在改善GFRC層間性能的同時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)、在線的無(wú)損監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)改性GFRC的起始斷裂韌性和擴(kuò)展斷裂韌性分別提高了86%和48%，有效提升了GFRC的I型層間斷裂韌性。另外，在裂紋擴(kuò)展階段，PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的電阻變化率增益因子高達(dá)270%，表現(xiàn)出了極高的層間裂紋監(jiān)測(cè)敏感性。研究結(jié)果為提升GFRC力學(xué)性能并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一種集成結(jié)構(gòu)增韌-監(jiān)測(cè)功能一體化的新型非織造復(fù)合纖網(wǎng)插層，也為提升GFRC全壽命周期穩(wěn)健性提供了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：非織造纖網(wǎng)；自感應(yīng)復(fù)合材料；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；插層增韌；增韌-監(jiān)測(cè)一體化響應(yīng)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TS05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）12-0029-09

DOI： 10.19398j.att.202403012

收稿日期：20240307

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240513

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52205426）；浙江省自然科學(xué)基金探索項(xiàng)目（TGG24E080014）；浙江理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（21212090-Y）

作者簡(jiǎn)介：鐘之豪（1999—），男，安徽廣德人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)增韌-監(jiān)測(cè)功能一體化方面的研究。

通信作者：戴宏波，E-mail：hongbo@zstu.edu.cn

玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（Glass fiber reinforced composites，GFRC）具有優(yōu)異的綜合性能價(jià)格比，是目前全球產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的復(fù)合材料。然而，GFRC層合結(jié)構(gòu)材料（如風(fēng)力葉片結(jié)構(gòu)肋板、船艇殼體、飛機(jī)旋翼槳葉等）在承載服役過(guò)程中易產(chǎn)生分層損傷失效，嚴(yán)重影響GFRC整體結(jié)構(gòu)完整性和服役安全性。該問(wèn)題受到科研界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注［1］。為改善層合復(fù)合材料較弱的層間性能，引入插層材料，如碳納米管（Carbon nanotubes，CNT）薄膜［2］或涂層［3］、石墨烯［4］、熱塑性膜材料［5］等，能夠有效提升GFRC的層間斷裂韌性（Interlaminar fracture toughness，ILFT）。具體而言，將層間的樹(shù)脂基體富裕區(qū)域作為獨(dú)立的相，利用增韌材料以連續(xù)或離散相的形式直接嵌入這一薄弱區(qū)域，從而彌補(bǔ)其厚度方向因缺少增強(qiáng)材料導(dǎo)致的層間性能劣化，在不影響增強(qiáng)纖維排列的情況下，可有效抑制復(fù)合材料層間疲勞裂紋損傷，實(shí)現(xiàn)插層增韌（Interleaving toughening，IT）的效果。

插層增韌因其易操作性和成本低效益高，已成為一種提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的有效策略［6］。例如，Quan等［7］將聚酰胺（Polyamide，PA）、聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）兩種熱塑性纖維非織造插層和混雜型插層（即可熔PA與不可熔PPS共混非織造布）對(duì)熱固性環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行增韌改性。由于基體增韌與纖維橋連效應(yīng)的共同作用，混雜型插層增韌改性復(fù)合材料的I型和II型ILFT分別被提升了110%和127%。除了優(yōu)化復(fù)合材料層間性能，對(duì)在役GFRC結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷精準(zhǔn)定位與評(píng)估（即結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，Structure health monitoring，SHM）是即時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)損傷，保障復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性的有效手段。在實(shí)際應(yīng)用中，相較傳統(tǒng)離位無(wú)損檢測(cè)手段［8］（如超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)、紅外檢測(cè)等），SHM利用一系列在線、分布式物/化傳感器，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接、準(zhǔn)確、非侵入性的原位監(jiān)測(cè)，無(wú)需強(qiáng)制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/設(shè)備停機(jī)來(lái)探測(cè)其結(jié)構(gòu)狀態(tài)和內(nèi)部損傷?，F(xiàn)今，SHM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土木建筑、機(jī)械裝備、航天飛行器等結(jié)構(gòu)的荷載-響應(yīng)監(jiān)測(cè)和健康狀況診斷［9］。

隨著納米科技的迅猛發(fā)展，一系列多功能納米碳復(fù)合材料被研發(fā)和證實(shí)具有自感應(yīng)功能，為構(gòu)造SHM系統(tǒng)提供了高效的傳感單元［10］。例如，將CNT納米填料與樹(shù)脂基體共混，再與纖維增強(qiáng)體復(fù)合成型，獲得導(dǎo)電、自感應(yīng)GFRC，并利用內(nèi)部CNT導(dǎo)電傳感網(wǎng)絡(luò)的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的原位SHM［11］。Wan等［12］通過(guò)一步浸漬法在單向玻纖布表面沉積MWCNT涂層，獲得CNT-玻纖自感應(yīng)織物，并嵌入GFRC層間；雙懸臂梁（Double cantilever beam，DCB）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻纖-CNT插層實(shí)現(xiàn)了對(duì)GFRC I型層間裂紋損傷的實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)，且電阻增益因子達(dá)到60%。

本文以高孔隙率的熱塑性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）非織造纖網(wǎng)作為傳感網(wǎng)絡(luò)骨架、CNT為導(dǎo)電感應(yīng)粒子，采用一步浸漬法構(gòu)筑一種高擴(kuò)展型PET-CNT自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)；將其嵌入GFRC層間作為結(jié)構(gòu)增韌-監(jiān)測(cè)一體化功能插層，研究GFRC力學(xué)性能，分析增韌效果；同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量其電阻變化率，研究PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的即時(shí)壓阻響應(yīng)與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度之間的量化映射關(guān)系，分析其監(jiān)測(cè)響應(yīng)，期望為提升GFRC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供優(yōu)化手段，也為拓展功能化非織造材料的工業(yè)應(yīng)用提供思路。

1" 實(shí)驗(yàn)

1.1" 實(shí)驗(yàn)材料

PET非織造纖網(wǎng)，面密度為19 g/m2，由濕法紡絲工藝制得，購(gòu)自廣州慧名纖維制品有限公司；多壁碳納米管（CNT）水性分散液，CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，CNT長(zhǎng)度小于10 μm，直徑50 nm，購(gòu)自南京先豐納米材料科技有限公司；低粘度雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂（EPON 862）購(gòu)自美國(guó)瀚森化工公司；聚醚胺固化劑（D230）購(gòu)自美國(guó)亨斯曼化工公司；無(wú)水乙醇（AR，99%）購(gòu)自宜興高晶化工有限公司；去離子水實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2" 實(shí)驗(yàn)儀器

萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)（HPU2160），上海力試科學(xué)儀器有限公司；離心力脫泡機(jī)（TMV-310TT），深圳思邁達(dá)智能設(shè)備有限公司；超聲細(xì)胞破碎儀（SCIENTZ-IID），寧波新芝生物科技股份有限公司；全自動(dòng)膜孔徑測(cè)試儀（BSD-PS2），北京貝士德儀器科技有限公司；數(shù)字源表（Keithley 2450A），美國(guó)吉時(shí)利測(cè)量?jī)x器公司；測(cè)厚儀（EScing），蘇測(cè)計(jì)量?jī)x器有限公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sigma 500），中國(guó)卡爾蔡司光學(xué)有限公司。

1.3" 試樣制備

1.3.1" CNT-PET非織造復(fù)合纖網(wǎng)的制備

取10 mL CNT水性分散液溶于190 mL去離子水中，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的CNT分散液，使用離心力脫泡儀以2000 r/min的旋轉(zhuǎn)速率離心混合5 min，隨后用超聲細(xì)胞粉碎儀以3 s的脈沖模式超聲30 min，確保CNT分散均勻。PET非織造纖網(wǎng)使用去離子水超聲清洗5 min，在50 ℃下干燥20 min，裁剪為20 cm×20 cm樣條。將其靜置于100 mL CNT分散液（CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%）中室溫充分浸漬10 min，取出后在80 ℃下干燥60 min，得到PET-CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)。

1.3.2" 復(fù)合材料層合板的制備

GFRC板由12層單向玻璃纖維織物和第6層和第7層中間置入的PET纖網(wǎng)插層以及厚12 μm的涂有脫模劑的聚酰亞胺薄膜組成，以確保在層合板中間層產(chǎn)生初始50 mm的裂紋。層疊GFRC的制備采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（Vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）工藝制備，其中真空灌注工藝的樹(shù)脂溶液是將低粘度雙酚F環(huán)氧樹(shù)脂（EPON 862）、聚醚胺固化劑（D230）按照100∶33.5的質(zhì)量比均勻混合，將裝置先在120 ℃條件下固化3 h，隨后160 ℃下固化1 h，制得厚度約3.2 mm的復(fù)合材料。復(fù)合材料的制備工藝流程如圖1所示。

1.4" 測(cè)試與表征

1.4.1" I型層間斷裂韌性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5528進(jìn)行了I型ILFT測(cè)試，試樣尺寸為150 mm×25 mm×3 mm，以2 mm/min的加載速率加載。在測(cè)試過(guò)程中裂紋每擴(kuò)展3 mm，實(shí)時(shí)記錄載荷、位移和裂紋長(zhǎng)度，每組樣本至少測(cè)試3個(gè)試樣。I型臨界應(yīng)變能釋放率（Critical energy release rate）是指復(fù)合材料層間產(chǎn)生單位面積裂紋所需的能量，根據(jù)柔度校準(zhǔn)法計(jì)算得出：

GIC=mPδ2baFN（1）

F=1-310δa2-32δta2（2）

N=1-L′a3-981-L′a2δta2-935δa2（3）

式中：GIC為I型臨界能量釋放率，J/m2；a為分層長(zhǎng)度，mm；b為試樣寬度，mm；δ為張口位移，mm；P為外加載荷，N；F和N為考慮大位移和加載塊影響時(shí)的修正因子，分別通過(guò)公式2和公式3計(jì)算得出；h為試樣單臂厚度；C=δ/P為試樣柔度。本文中使用鋼琴合頁(yè)作為加載頭，因此L′取0。柔度因子m由log（C/N）與log（a）數(shù)據(jù)的線性最小二乘回歸分析擬合曲線斜率獲得。

根據(jù)ASTM D5528，起始斷裂韌性（GIC，ini）是由擬合初次加載GIC曲線所得；擴(kuò)展斷裂韌性（GIC，prop）是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展至30～50 mm階段的GIC平均值。

1.4.2" 孔徑分布測(cè)試

使用貝士德BSD-PS2型全自動(dòng)膜孔徑測(cè)試儀，根據(jù)ASTM E1294測(cè)定PET纖網(wǎng)的孔徑分布。

1.4.3" CNT沉積量

PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)的CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)沉積前后質(zhì)量差計(jì)算得出：

D/%=w1-w0w0×100（4）

式中：D為CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w0為干燥PET非織造纖網(wǎng)質(zhì)量，g；w1為干燥PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)質(zhì)量，g。

1.4.4" 插層厚度測(cè)試

使用EScing測(cè)厚儀對(duì)PET非織造纖網(wǎng)的厚度進(jìn)行測(cè)試表征，測(cè)厚儀精度為0.001 mm。

1.4.5" 掃描電鏡測(cè)試

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Scanning electron microscope，SEM）表征PET和PET-CNT纖網(wǎng)插層的微觀形貌，掃描電壓設(shè)置為2 kV，樣品在測(cè)試前真空鍍金處理20 s。

1.4.6" 電學(xué)性能測(cè)試

PET-CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)插層改性層合GFRC的DCB全過(guò)程SHM實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。DCB實(shí)驗(yàn)之前，使用600目砂紙將GFRC試件前后兩端輕微打磨，再涂覆導(dǎo)電銀漿使復(fù)合纖網(wǎng)插層與銅電極連接，以保證導(dǎo)電通路的充分接觸；使用型號(hào)Keithley 2450A數(shù)字源表在10 V恒壓模式下實(shí)時(shí)測(cè)試DCB實(shí)驗(yàn)過(guò)程中PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的電阻變化率。電阻變化率ΔR定義為：

ΔR/%=R-R0R0×100（5）

式中：R0為未加載時(shí)PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)的初始電阻，Ω；R為DCB加載過(guò)程中數(shù)字源表監(jiān)測(cè)到PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)的實(shí)時(shí)電阻，Ω。

2" 結(jié)果與分析

2.1" PET非織造纖網(wǎng)及PET-CNT非織造復(fù)合纖網(wǎng)微觀形貌分析

原始PET纖網(wǎng)的微觀形貌如圖3（a）所示，可

DCB全過(guò)程SHM實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

experimental device for PET-CNT nonwoven composite fiber network interleaf modified lamination GFRC

以觀察到PET纖維表面光滑，直徑在10～20 μm之間。PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)的微觀形貌如圖3（b）所示，可以觀察到PET纖維表面沉積了一層連續(xù)分布的CNT導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)沉積前后的非織造插層質(zhì)量差計(jì)算得出PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)中CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。此外，使用測(cè)厚儀測(cè)得薄型PET插層厚度在70～80 μm范圍內(nèi)。

使用氣液法測(cè)試表征PET插層的孔徑分布，得到氣-液壓力-流量曲線，如圖4（a）所示。由氣-液壓力-流量曲線圖可見(jiàn)，最小孔徑（干/濕式線第一個(gè)交點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的壓力為324 kPa，流量為107.5 L/min；平均孔徑（半干式/濕式線交點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的壓力為88 kPa，流量為25.7 L/min；PET纖網(wǎng)插層的孔徑分布如圖4（b）所示，PET纖網(wǎng)的最小孔徑、平均孔徑和表觀孔徑分別為87.8、227 μm和127 μm（占孔隙總數(shù)的38%）。這種高孔隙結(jié)構(gòu)有利于GFRC加工成型過(guò)程中實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂充分浸漬，降低了引入樹(shù)脂灌注缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2" I型層間斷裂韌性

通過(guò)DCB實(shí)驗(yàn)探究復(fù)合纖網(wǎng)插層改性GFRC在I型載荷下的斷裂模式。PET、PET-CNT插層改性GFRC和原始GFRC的典型載荷-位移曲線如圖5（a）所示。載荷-位移曲線在加載初期呈線性響應(yīng)特征，界面裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度隨著加載位移的增長(zhǎng)非線性地同步增加；隨著裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，載荷-位移曲線呈現(xiàn)周期性線性增長(zhǎng)-突然下降的趨勢(shì)，表現(xiàn)出粘滑裂紋擴(kuò)展特征（Stick-slip crack growth character）［13-14］。隨著裂紋損傷的加劇，分層裂紋前端途經(jīng)具有增韌插層的層間區(qū)域，導(dǎo)致PET或PET-CNT纖網(wǎng)插層的剝離/撕裂破壞，此時(shí)的纖維橋聯(lián)效應(yīng)的出現(xiàn)使得擴(kuò)展載荷值增加，說(shuō)明纖網(wǎng)插層的引入改善了層合GFRC結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，層間性能得到改善。

R曲線表示GIC與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度之間的量化關(guān)系，是評(píng)價(jià)層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抵抗裂紋擴(kuò)展能力的特征曲線［15］。PET、PET-CNT纖網(wǎng)插層改性GFRC的R曲線如圖5（b）所示。因?yàn)槔w網(wǎng)插層促使裂紋擴(kuò)展前端產(chǎn)生纖維橋聯(lián)效應(yīng)，一定程度上抑制了分層裂紋擴(kuò)展，所以R曲線表現(xiàn)出隨裂紋擴(kuò)展而上升的趨勢(shì)。未改性GFRC和PET、PET-CNT插層改性GFRC的GIC，ini和GIC，prop如圖6所示。PET和PET-CNT纖網(wǎng)插層改性GFRC的GIC，ini分別提升了79%和86%，且其GIC，prop也分別提高了57%和48%，體現(xiàn)了纖網(wǎng)插層的層間增韌有效性。

GFRC試樣的DCB斷裂截面微觀形貌如圖7所示。未改性GFRC斷裂截面呈現(xiàn)典型的界面粘結(jié)破壞模式［16］，表現(xiàn)出玻璃纖維與樹(shù)脂基體之間較弱的界面相互作用，如圖7（a）所示。PET纖網(wǎng)插層改性GFRC的斷裂截面呈現(xiàn)局部PET纖網(wǎng)插層剝離/撕裂破壞模式，如圖7（b）所示。PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層改性GFRC的斷裂截面呈現(xiàn)一種特殊的多級(jí)破壞模式，如圖7（c）所示。其中，剛性CNT通過(guò)納米尺度的橋聯(lián)效應(yīng)進(jìn)一步提高了對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力，導(dǎo)致PET-CNT改性GFRC的GIC，ini優(yōu)于PET體系，CNT部分阻礙了PET纖維間的橋聯(lián)效應(yīng)［6］，使PET-CNT改性GFRC的GIC，prop略微降低。

非織造復(fù)合纖網(wǎng)插層的層間增韌機(jī)理如圖8所示。在GFRC層間裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，復(fù)合纖網(wǎng)插層通過(guò)PET纖維拔出、塑性形變和斷裂等破壞模式導(dǎo)致分層裂紋前端偏轉(zhuǎn)并發(fā)生分層遷移［17］，形成高能量耗散的裂紋擴(kuò)展路徑，從而提高了GFRC結(jié)構(gòu)的層間裂紋損傷容限與層間斷裂韌性。

of nonwoven composite fiber web

2.3" GFRC的層間斷裂損傷原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（SHM）

將PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層分布于GFRC整個(gè)層間區(qū)域，形成全覆蓋式感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)隨意性、突發(fā)性層間裂紋萌生與擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行全局性監(jiān)測(cè)。在DCB實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)建立復(fù)合纖網(wǎng)即時(shí)壓阻響應(yīng)與GFRC層間裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度之間的量化映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)GFRC層間區(qū)域裂紋損傷狀態(tài)的實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)。

隨著I型載荷的遞增，層間裂紋沿著預(yù)制裂紋方向持續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致復(fù)合纖網(wǎng)插層產(chǎn)生隨機(jī)形變和局部破裂，進(jìn)而破壞CNT-CNT導(dǎo)電通路，使其整體電阻上升，產(chǎn)生明顯的壓阻響應(yīng)。PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的壓阻響應(yīng)曲線如圖9（a）所示，隨加載位移的遞增，裂紋隨之?dāng)U展，自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)插層的電阻表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)（3%～150%），驗(yàn)證了其壓阻響應(yīng)與裂紋擴(kuò)展過(guò)程的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。裂紋擴(kuò)展起始階段時(shí)間/載荷-相對(duì)電阻變化如圖9（b）所示，在預(yù)制裂紋擴(kuò)展階段（0～300 s），試件張口位移呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層在線性拉應(yīng)力作用下，其電阻變化率緩慢增長(zhǎng)（0～2%）。410 s時(shí)，電阻變化率突增表明裂紋萌生并開(kāi)始向增韌區(qū)域擴(kuò)展。之后，載荷位移曲線呈現(xiàn)典型的粘滑變化（見(jiàn)圖9（a）），標(biāo)志著層間裂紋持續(xù)、突然、隨機(jī)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。隨著裂紋擴(kuò)展，PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的破壞（以觀測(cè)到的“纖維橋聯(lián)現(xiàn)象”為例），表現(xiàn)為930、1002、1088 s時(shí)電阻變化率激增的現(xiàn)象，體現(xiàn)了PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)對(duì)層間裂紋擴(kuò)展過(guò)程即時(shí)、靈敏、高效的監(jiān)測(cè)能力。此外，失效試樣的層間斷裂面（見(jiàn)圖9（c））呈現(xiàn)出連續(xù)的區(qū)域性纖網(wǎng)剝離/撕裂破壞模式，驗(yàn)證了PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)在裂紋擴(kuò)展全過(guò)程中的原位感應(yīng)狀態(tài)，其電阻變化率增益因子達(dá)270%。

圖10為裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與相對(duì)電阻/臨界能量釋放率的擬合曲線。在裂紋擴(kuò)展初期階段（裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度50～66 mm），PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的纖維載體結(jié)構(gòu)完整，CNT導(dǎo)電通路未被破壞，相對(duì)電阻變化主要來(lái)自試件受到拉應(yīng)力作用下PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的壓阻效應(yīng)，電阻變化率由預(yù)制裂紋擴(kuò)展階段的2%增長(zhǎng)至20%；隨著裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展（66～80 mm），PET-CNT插層的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)局部剝離/

change-crack extension length fit for DCB experimental process

撕裂破壞，產(chǎn)生纖維橋聯(lián)效應(yīng)，提升了ILFT的同時(shí)也破壞了連續(xù)分布的CNT-CNT滲流網(wǎng)絡(luò)，使得電阻變化率激增（20%～150%），同時(shí)GIC也呈上升趨勢(shì)；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段（80～100 mm）之后，CNT-CNT滲流網(wǎng)絡(luò)的破壞速率趨近穩(wěn)定，電阻變化率的增加也趨于線性（150%～270%）。因此，在層間裂紋擴(kuò)展全過(guò)程中，PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)的即時(shí)壓阻響應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)反映出GFRC層間裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)層合GFRC結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)高效原位SHM。

3" 結(jié)論

本文以高孔隙率的PET非織造纖網(wǎng)為傳感網(wǎng)絡(luò)骨架、CNT為導(dǎo)電感應(yīng)粒子，采用一步浸漬法構(gòu)筑了一種高擴(kuò)展、薄型PET-CNT自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)。將復(fù)合纖網(wǎng)嵌入GFRC層間作為GFRC增韌-監(jiān)測(cè)功能插層，綜合評(píng)估了其層間增韌-結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)一體化響應(yīng)行為，并通過(guò)DCB實(shí)驗(yàn)探究了PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層對(duì)I型ILFT的影響。此外，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量分析PET-CNT自感應(yīng)復(fù)合纖網(wǎng)插層的電阻變化率，研究復(fù)合纖網(wǎng)即時(shí)壓阻響應(yīng)與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度之間的量化映射關(guān)系，分析復(fù)合纖網(wǎng)對(duì)GFRC層間損傷的原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果。結(jié)論如下：

a）構(gòu)筑的PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層整體厚度介于70～80 μm，負(fù)載了一層致密、分布均勻且無(wú)團(tuán)聚的CNT導(dǎo)電涂層，同時(shí)仍保持了PET纖網(wǎng)插層的高孔隙的結(jié)構(gòu)，有利于其在GFRC制造過(guò)程中與環(huán)氧樹(shù)脂的充分浸漬。

b）PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層改性GFRC層合試樣的I型ILFT得到顯著改善，其起始斷裂韌性（GIC，ini）和擴(kuò)展斷裂韌性（GIC，prop）分別提升了86%和48%。

c）PET-CNT復(fù)合纖網(wǎng)插層的壓阻感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出對(duì)微小應(yīng)變（裂紋萌生之前）的高敏感性，能夠?qū)α鸭y擴(kuò)展全過(guò)程（萌生初期、擴(kuò)展階段）表現(xiàn)出即時(shí)且強(qiáng)烈的壓阻響應(yīng)，其相對(duì)電阻變化率（ΔR）與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度展現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，在裂紋擴(kuò)展全過(guò)程中的電阻變化率增益因子達(dá)270%。

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Self-sensing PET-CNT nonwoven interleaf for the integrated interlaminar toughening and

structural monitoring of glass fiber reinforced composites

ZHONG" Zhihao，" LIU" Shuai，" WANG" Shouhao，" DAI" Hongbo

（1.School of Materials Science amp; Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Zhejiang Provincial Innovation Center of Advanced Textile Technology （Jianhu Laboratory）， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

Glass fiber reinforced composites （GFRC） are a popular， low-cost， and lightweight structural material widely used in green energy fields， such as wind power generation， new energy vehicles， and battery shells. However， delamination damage is a common issue in GFRC structures during service. To improve the out-of-plane mechanical properties of laminated GFRC， various interlaminar materials have been extensively studied and applied. To prevent sudden delamination of GFRC during service， it is crucial to develop an in-situ， real-time， on-line non-destructive monitoring method to monitor the structural health of the system. This will help avoid catastrophic failure caused by sudden delamination. A PET-CNT self-sensing nonwoven composite interleaf was developed by using high-porosity PET nonwoven fabric， introducing functional intercalation into the interlayer relative to GFRC for modification. In addition， the one-step impregnation method produced a PET-CNT nonwoven interleaf with a multi-level network structure of entangling， loose and porous， allowing full impregnation with resin matrix. Upon solidification， a continuous and dense CNT-CNT seepage induction network was formed. The results demonstrated an 86% increase in initial fracture toughness （GIC，ini） and a 48% increase in propagation fracture toughness （GIC，prop） of the modified GFRC， effectively enhancing its mode I interlaminar fracture toughness （ILFT）. Real-time acquisition of piezoresistive response and establishment of quantitative mapping relationship between resistance change and crack growth length revealed a 270% gain factor in resistance change rate during the experiment， demonstrating excellent in-situ monitoring sensitivity and accurate efficiency in monitoring the entire process of crack growth in DCB experiment.In this study， a new PET-CNT nonwoven composite interleaf suitable for GFRC was prepared， and its integrated response behavior of interlayer toughening-structure monitoring was analyzed and verified， which proposed an effective and structural optimization method to improve the structural stability of GFRC and the overall robustness of GFRC throughout its life cycle. Additionally， it also provided a new scenario for expanding the industrial application of functional nonwoven materials.

Keywords：

nonwoven fiber web; self-sensing composites; glass fiber reinforced composites; interleaving toughening; toughening-monitoring integrated response; structural health monitoring