《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Damage monitoring of GFRP laminates via electrical measurements: Experiments and predictions
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碳纳米管改性导电玻璃/环氧交叉铺层复合材料的早期疲劳损伤实验研究及解析模型验证，通过循环载荷下监测90°铺层横向裂纹、刚度退化与电导率变化，建立电导率与刚度退化的定量关系，验证模型准确性并证明电导率变化可作为损伤定量评估工具。
加佐拉（Gazzola）|卡拉罗（P.A. Carraro）|吉布哈特（D. Gibhardt）|沃尔特（M. Walter）|菲德勒（B. Fiedler）|夸雷斯明（M. Quaresimin）|扎帕洛尔托（M. Zappalorto）
帕多瓦大学管理与工程系，地址：Stradella San Nicola 3，3600 Vicenza，意大利
摘要
本研究对导电玻璃/环氧树脂层压板的早期疲劳损伤进行了实验性研究。该研究旨在生成一个全面且一致的实验数据集，以验证作者之前开发的分析模型。
疲劳试验在受控加载条件下进行，同时持续监测90°层中的横向裂纹、刚度退化以及电阻变化。这些测量数据提供了详细的关联机械损伤与电响应之间的关系。随后利用这些数据验证了作者开发的分析模型，该模型能够根据横向裂纹引起的电阻变化预测刚度退化。
模型预测与实验观察结果之间的良好一致性证实了所采用实验方法的合理性，并支持将电阻测量作为评估导电玻璃纤维增强塑料（GFRP）层压板早期损伤的定量工具。
引言
近年来，由于具有优异的机械性能和轻质特性，纤维增强聚合物（FRPs）在汽车、航空航天和风能等先进工业领域得到了广泛应用。然而，在其整个使用寿命期间，承受静态和循环载荷的多向层压板会逐渐发生损伤，表现为基体裂纹、分层和纤维断裂等现象。静态或疲劳行为的初始阶段通常涉及偏轴裂纹的萌生和扩展，随着静态载荷水平[1]、[2]、[3]或循环次数的增加[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]，裂纹数量逐渐增多，导致承载能力下降和刚度降低[11]。
鉴于损伤对材料表观弹性性能的显著影响，实施有效的监测系统以评估FRP组件的结构完整性变得至关重要。结构健康监测（SHM）在这方面发挥了重要作用，它通过原位传感器实现实时和连续的损伤检测。SHM的优势之一是能够将维护方式从基于时间转变为基于状态的维护，从而提高组件的安全性和可靠性。此外，它还避免了过度设计结构的需求，从而显著降低了成本和重量。
近几十年来，人们投入了大量精力改进损伤检测技术，其中光纤[12]、[13]、被动声发射[14]、[15]、[16]和主动导波[17]、[18]、[19]是最重要的技术。然而，这些技术存在一些挑战：
-光纤需要昂贵的检测系统，测量范围有限，并可能影响基体结构的机械性能。
-被动声发射和主动导波方法由于需要大量厚压电传感器来捕获声音并进行参数/波形分析而难以实施。
为解决这些挑战，基于电阻变化（ERC）的方法显示出良好的前景。Schulte和Baron[20]的开创性工作，以及后续的研究[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]强调了通过测量电阻变化来监测碳纤维增强聚合物（CFRP）损伤状态的有效性。研究发现，纤维断裂（以及在较小程度上的偏轴裂纹）会导致层压板沿纵向方向的电阻显著增加，而分层则会导致厚度方向的电阻增加[34]、[35]。即使在非导电纤维的情况下，通过向基体中添加碳纳米管（CNTs）或碳黑（CB）[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]，ERC方法仍然有效，因为这些添加物可以使材料具有导电性。事实上，裂纹和分层会阻碍电流通过基体，从而导致电阻的可检测且不可逆的增加。
ERC方法的有效性促使人们开发出能够将损伤状态与复合材料的电阻变化及相关机械性能退化联系起来的精确模型。在这方面，一些作者开发的分析模型值得关注，这些模型将电阻与层压板的表观刚度相关联，无论是单向[42]、双向[43]、[44]还是多向[45]层压板，无论是单层还是多层存在偏轴裂纹的情况。
基于这一基础，本研究旨在实现两个主要目标。首先是进行精确的电阻测量，以确定纳米改性GFRP层压板在循环载荷作用下的损伤演变与电响应之间的关联。其次是利用实验数据验证Carraro等人[42]提出的分析模型，该模型能够根据电阻测量结果预测由横向裂纹引起的导电层压板的刚度退化。
章节片段
层压板制造
本研究选择的材料系统由三层玻璃纤维/环氧树脂[0/90]层压板组成，通过添加碳纳米管（CNTs）使其具有导电性。这些层压板的具体类型如下：
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CarbonFly-HL
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NC7000-HL
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CarbonFly-RM
所有层压板具有相同的纤维/基体组成和铺设配置，但在CNT类型和浸渍技术上有所不同。这种设置有助于详细分析这些因素对材料自感知能力的影响。
两个
形态学表征
为了评估制备材料的最终质量，使用逐渐粒度更小的砂纸和二氧化硅悬浮液仔细打磨样品边缘。然后通过光学显微镜观察样品，以量化制造过程中产生的空洞，这些空洞通常是由于添加CNTs导致树脂粘度增加而形成的。根据图2中的显微照片，CarbonFly-HL层压板中存在空洞
建模活动
第3.5节中呈现的实验结果用于验证Carraro等人[42]提出的分析模型的准确性，此处简要回顾以便完整说明。
结论
本研究对纳米改性GFRP层压板的早期疲劳损伤进行了实验性研究，旨在生成一个全面的数据集，以验证作者之前开发的分析模型。疲劳试验在受控加载条件下进行，同时持续监测90°层中的横向裂纹、刚度退化以及电阻变化。研究结果表明，损伤是渐进且不可逆的
作者贡献声明
加佐拉（Gazzola）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、软件开发、数据分析、形式分析。
P.A. 卡拉罗（P.A. Carraro）：撰写 – 审稿与编辑、方法论制定、形式分析、概念化。
D. 吉布哈特（D. Gibhardt）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、数据分析。
M. 沃尔特（M. Walter）：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、方法论制定、概念化。
B. 菲德勒（B. Fiedler）：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、方法论制定、概念化。
M. 夸雷斯明（M. Quaresimin）：撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了欧盟NextGenerationEU（国家可持续交通中心，意大利大学和研究部2022年6月17日第1033号法令，创新材料与轻量化项目）的资助。本文表达的观点仅代表作者本人，不应被视为欧盟或欧盟委员会的官方立场。欧盟和欧盟委员会对此不承担任何责任。
