薄壁結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的輕量化特性和能量吸收能力，已在載運(yùn)工具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著輕量化、被動(dòng)安全和智能化需求的日益突出，具有高比剛度、高比強(qiáng)度和出色承載性能的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRC），正在成為薄壁結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的新一代解決方案。除了保證卓越耐撞性能以外，確保薄壁結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全可靠性也是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)薄壁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)存在實(shí)時(shí)性不足、實(shí)施成本高和耐久性差等問(wèn)題。連續(xù)碳纖維（CCF）優(yōu)異的導(dǎo)電性能為CFRC基于電阻變化的損傷自監(jiān)測(cè)提供了新思路。雖然3D打印CFRC結(jié)構(gòu)的自監(jiān)測(cè)性能已被證實(shí)，但其機(jī)電行為在不同結(jié)構(gòu)和載荷條件下表現(xiàn)出明顯差異。CFRC薄壁結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中呈現(xiàn)多樣化破壞形式，導(dǎo)致電信號(hào)變化規(guī)律復(fù)雜，因此有必要系統(tǒng)研究其在大變形下形變與電阻變化的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

2025年5月，中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院汪馗教授團(tuán)隊(duì)將連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料用于制造薄壁結(jié)構(gòu)，通過(guò)開爾文四端子檢測(cè)法，針對(duì)三種不同打印層高的薄壁結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮與軸向壓縮工況下探究了壓縮變形與電阻變化的關(guān)聯(lián)規(guī)律。文章發(fā)表于復(fù)合材料TOP期刊《Composite Structures》，論文標(biāo)題為“Real-time self-monitoring properties in 3D printed continuous carbon fiber reinforced thin-walled composite structures under large deformation”。博士研究生黃揚(yáng)宇為第一作者。

該研究聚焦于3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)薄壁結(jié)構(gòu)(CCFTCSs)，基于熔絲制造(FFF)技術(shù)，制備了高度20毫米，外徑50毫米的圓柱形薄壁結(jié)構(gòu)，打印層高設(shè)置為0.5 mm、0.4 mm和0.3 mm。在CCF傳感元件末端裝配電極，以確保電信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用工況，作者對(duì)CCFTCSs開展了準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮與軸向壓縮力學(xué)性能測(cè)試，同時(shí)通過(guò)開爾文四端子檢測(cè)法，實(shí)時(shí)記錄CCFTCSs電信號(hào)的變化(圖1)。

圖 1. 用于CCFTCSs自監(jiān)測(cè)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法：(a) 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、(b) 電阻測(cè)量方法、(c) 電阻測(cè)量系統(tǒng)。

在準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向壓縮時(shí)，不同層高的CCFTCSs的力-位移曲線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律：載荷先快速達(dá)到峰值，隨后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，最終又出現(xiàn)二次強(qiáng)化階段，其變形過(guò)程均可劃分為三個(gè)階段：彈性階段、漸進(jìn)壓潰階段和致密化階段(圖2)。在彈性階段和漸進(jìn)壓潰階段，?R-位移曲線呈現(xiàn)明顯的雙線性變化（相關(guān)系數(shù)R²＞0.816），隨后在致密化階段轉(zhuǎn)為非線性急劇上升。當(dāng)層高小于0.5 mm時(shí)，彈性階段R²＞0.986，漸進(jìn)壓潰階段R²＞0.990，展現(xiàn)出更高的線性關(guān)系(表1)。?R-位移曲線斜率的改變可作為CCFTCSs變形階段轉(zhuǎn)換的特征指標(biāo)，當(dāng)斜率由α1突變?yōu)棣?時(shí)，標(biāo)志CCFTCSs進(jìn)入到漸進(jìn)壓潰階段，而當(dāng)斜率顯著超過(guò)α2時(shí)，則表明結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入致密化階段(圖2和圖3)。

表1 ?R-位移擬合線的斜率（α1和α2）及相關(guān)系數(shù)（R2）。

圖2 CCFTCSs在側(cè)向壓縮下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a) 力-位移曲線；不同層高下的力與?R隨位移變化曲線：(b) 0.5毫米，(c) 0.4毫米，(d) 0.3毫米。

圖3 CCFTCSs在側(cè)向壓縮下的變形歷史。

在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮條件下，CCFTCSs的壓縮過(guò)程可分為漸進(jìn)壓縮和潰縮兩個(gè)階段，力-位移曲線首先經(jīng)歷彈性變形階段并達(dá)到首個(gè)峰值載荷，隨后載荷下降至波谷值。在潰縮階段，由于截面折疊產(chǎn)生的密實(shí)化效應(yīng)，載荷曲線呈現(xiàn)回升現(xiàn)象(圖4)。此時(shí)，?R-位移曲線呈現(xiàn)出"下降-上升"的波動(dòng)模式。軸向壓縮過(guò)程中，CCFTCSs在厚度方向由于層與層之間纖維相互接觸形成新的導(dǎo)電電路(圖5)，導(dǎo)致?R突然下降，且下降幅度可達(dá)80%。隨著進(jìn)一步壓縮，CCFTCSs纖維與基體間多樣化的失效模式導(dǎo)致?R出現(xiàn)波動(dòng)式變化(圖6)。但?R的變化與變形階段的轉(zhuǎn)變之間仍有較強(qiáng)相關(guān)性，可通過(guò)追蹤電阻變化的波動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)CCFTCSs災(zāi)難性損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 CCFTCSs在軸向壓縮下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(a) 力-位移曲線；不同層高下的力與?R隨位移變化曲線：(b) 0.5毫米，(c) 0.4毫米，(d) 0.3毫米。

圖5 垂直導(dǎo)電通路的示意圖

圖6 CCFTCS試件纖維破壞形式：(a) 纖維拔出；(b) 纖維斷裂；(c) 纖維脫粘。

該研究基于熔絲制造(FFF)技術(shù)，設(shè)計(jì)了具備自監(jiān)測(cè)能力的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)薄壁結(jié)構(gòu)(CCFTCSs)。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下通過(guò)壓縮試驗(yàn)研究了薄壁結(jié)構(gòu)的變形行為與電學(xué)信號(hào)響應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制。通過(guò)將連續(xù)碳纖維作為傳感元件嵌入CCFTCSs，實(shí)現(xiàn)了基于電阻變化的結(jié)構(gòu)形變自監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)研究了載荷方向和打印層高對(duì)CCFTCSs自監(jiān)測(cè)行為的影響，并詳細(xì)分析了纖維與基體失效模式對(duì)電阻影響機(jī)制。

原始文獻(xiàn)：

HuangY, Wang D, WenW, et al. Real-time self-monitoring properties in 3D printed continuous carbon fiber reinforced thin-walled composite structures under large deformation[J]. Composite Structures, 2025, 369: 119341. 

原文鏈接： 

https:///10.1016/j.compstruct.2025.119341