基于石墨烯纳米片增强的多尺度复合材料的应变传感

本实验的总体目标是实现复合材料在结构健康监测中的自感知性能。该方法有助于解决海上自动检测失效中的关键问题，例如量化近海风电场中的应变与损伤，并预测其服役寿命。该技术的主要优势在于结构部件本身即可实现损伤的检测。

尽管该方法可用于研究复合材料的结构损伤，但也适用于其他系统，例如损伤恢复过程中的生物力学分析。开始制备时，在无管罩内将24克功能化石墨烯纳米片与DGEBA单体手工混合。为了将f-GNPs分散到单体中，首先使用探头超声仪对混合物进行45分钟的超声处理。

然后，将混合物过辊三次，每次逐步提高辊筒速度。分散完成后，称量混合物。在搅拌条件下将混合物加热至 80 摄氏度，随后置于真空环境中。

在搅拌的同时对混合物进行脱气处理，持续15分钟。按照DGEBA单体与固化剂100比23的质量比称取固化剂。将混合物从真空环境中取出，并停止磁力搅拌。

加入固化剂，手动搅拌至均匀。脱气并手动混合后，在磁力搅拌条件下将功能化石墨烯纳米片环氧材料于80摄氏度下保温。然后用丙酮清洗一块钢板。

使用布料剪刀将14层玻璃纤维织物裁剪至所需尺寸。将玻璃纤维织物放入烘箱中加热至80摄氏度。裁剪两片与织物相同尺寸的防粘连聚合物膜。

将薄膜放置在洁净的钢板上。使用刷子，在聚合物薄膜的一个方块区域上涂覆一层含功能化石墨烯纳米片（f-GNP）的环氧树脂。小心地将一块预热的玻璃纤维塑料放置在涂有环氧树脂的薄膜区域上，确保环氧树脂和薄膜完全被覆盖。

使用脱气辊压紧材料。继续逐层涂覆环氧树脂和织物，并在每次涂覆后进行压紧，直至用完所有剩余织物。最后再涂一层环氧树脂，并将剩余的方形防粘连聚合物膜覆盖在层压材料表面。

在热板压机中，通过逐渐增加压力来固化层压板。在无管通风橱中，将尺寸剂与蒸馏水按1:1比例混合。向其中加入7.5克f-GNPs。

将混合物从通风橱中取出，通过探头超声处理分散纳米片。裁剪14块玻璃纤维织物方块。使用浸涂机将含f-GNP的上浆剂涂覆在玻璃织物上。

然后，将涂覆后的织物置于真空烘箱中干燥。用丙酮清洁一块钢片。将一块与玻璃纤维织物尺寸相同的防粘聚合物薄膜平放在钢片上。

将14块涂覆玻璃纤维织物放置到聚合物薄膜上，确保边缘对齐。然后将载板和织物放入真空袋中。使用密封胶带密封真空袋。

将袋子在80摄氏度的烘箱中预热。在搅拌的同时对DGEBA单体进行真空脱气。按照单体与固化剂质量比100比23的比例加入固化剂，并搅拌至均匀。

将真空泵连接至真空袋，并进行漏气检查。将一段聚合物管连接到真空袋上，并将管的开口端浸入环氧树脂中。开启真空泵，将树脂吸入真空袋内。

当玻璃纤维布堆完全浸透环氧树脂后，关闭泵并密封袋子。将层压板在袋中放入烘箱，在140摄氏度下固化8小时。然后，从真空袋中取出已固化的层压板。

开始进行应变测试准备时，先加工层压样品。然后用丙酮清洁样品表面。使用银基丙烯酸导电漆，在每个样品上绘制两条相距20毫米的细线。

将细铜线平放在湿润的银漆上作为电极。待银漆干燥后，用热熔胶固定铜线位置。设置机械测试仪以进行弯曲试验。

对于每个样品，使用卡尺测量其宽度和厚度，然后将样品放入仪器中。根据样品的尺寸和位置，适当设置测试速度和起始位置。将电极连接至万用表，并测量电极之间的初始电阻。

进行弯曲测试，并全程监测电阻变化。为准备应变测试，将功能化石墨烯纳米片/玻璃纤维织物裁剪成10毫米宽的条状，并使用银导电漆和热熔胶将铜线固定在织物上。

接下来，使用热熔胶将功能化金纳米颗粒玻璃纤维织物带固定在丁腈手套的拇指和前三个手指上。测量每个手指上织物的初始电阻。在记录电阻变化的同时，执行一系列手指弯曲动作。

首先弯曲拇指，然后依次弯曲食指、中指和无名指。接着同时弯曲所有手指。随后，加快速度，从拇指到无名指依次重复该动作，再反向进行。

将功能化金纳米颗粒（f-GNPs）掺入玻璃纤维中可提高材料的导电性，而该导电性受诱导应变的影响。归一化电阻随弯曲应变的增加而增加。在断裂点处玻璃纤维的断裂会破坏导电网络，表现为归一化电阻的突变上升。

当将f-GNP玻璃纤维织物应用于丁腈手套的手指部位时，可通过电阻的变化来追踪每个手指的弯曲程度及运动持续时间。对f-GNP环氧树脂和f-GNP玻璃纤维复合材料施加压缩和拉伸应变时，其电导率的变化呈现出略有不同的模式。在低于某一水平的压缩应变下，归一化电导率随应变增加而逐渐降低。

此外，电阻会进一步增加。然而，在整个拉伸应变过程中，归一化电阻力持续上升。该技术问世后，为传感与监测材料领域的研究人员探索结构部件中的损伤提供了新的途径。

观看本视频后，您应能充分理解如何制备自感知复合材料，以及如何对其进行实时监测。