碳基纳米压阻传感器的工作原理是将其自身受到的应变或者应力等外界物理载荷转化为电阻信号，而电阻信号的变化源于传感器中微观导电网络的变化，这受到包括接触电阻、隧道效应和导电材料自身电阻在内的多种因素影响。目前应用较为广泛的是以碳基纳米材料为导电填料的纳米压阻传感器，其中包括炭黑（CB）、碳纳米管、石墨烯及其衍生物等。本文所研究的碳基纳米压阻传感器包含两种类型：一种是单一碳基导电填料类型，另一种是混合碳基导电填料类型。单一碳基导电填料传感器中的导电网络是由CB颗粒组成的，而混合碳基导电填料传感器中的导电网络是由CB和CNT共同组成的，CB和CNT可以分别视为一个导电单元。碳基纳米材料和PVP均匀混合后，导电填料之间的缝隙被基体填充，近乎均匀地分散在基体中，形成导电网络的初始状态。基体中的导电单元之间有3种位置关系，即直接接触、准接触和不接触。当两个导电单元直接接触时，可以认为电流在两个导电单元之间自由流动，忽略接触电阻；当两个导电单元不接触时，即两个导电单元之间没有电流通过。根据量子力学中的原理解释，当两个导电单元准接触，它们距离足够近时，即使导电单元没有实 际接触，其中一个导电单元上的自由电子也可以穿过聚合物基体分子的能量势垒跃迁到邻近的导电单元上，从而在它们之间形成导电通道，这就是隧道效应。电子跃迁时克服的能量势垒被定义为隧道电阻。隧道电阻与导电单元之间的距离呈指数关系，当外界载荷强行改变导电单元间的距离时，由导电单元自身的变化引起的电阻变化很小，而隧道电阻会发生急剧的变化。因此，有效隧道效应区域的 多少直接关系到碳基纳米压阻传感器整体电阻变化的敏感性，即传感器的压阻灵敏度。图12是单一碳基导电填料传感器压阻效应原理图。单一CB组分添加时，CB/PVP传感器中的CB颗粒整体呈随机分布，需要较高浓度才可以形成导通的微观导电网络。CB/PVP传感器中导电网络的总电阻R由3部分组成，分别为CB颗粒直接接触形成的接触电阻Rc1、CB颗粒的固有电阻RCB、在准接触区域中产生隧道效应的CB颗粒之间的隧道电阻Rt1。
单一CNT组分添加时，CNT/PVP传感器中的CNT可以在较低浓度时就形成导通的微观导电网络，但是CNT间接触点较少，准接触状态的区域就更少，导电网络中的有效隧穿通路十分有限，传感器整体的压阻灵敏度较低。然而在采用两相碳基纳米填料掺杂的情况下，除了CB和CNT各自接触形成的导电通路之外，随机分布的CNT还可以将均匀分布的CB颗粒连接起来，以提供更多导电单元直接接触的机会，准接触状态下产生的隧道电阻也增多。CB和CNT之间的协同增强效应在提升传感器灵敏度的同时还可以降低传感器导电填料的渗流阈值，而且在低导电填料和高力学性能两方面达到平衡。图13是混合碳基导电填料传感器压阻效应原理图。
以下介绍碳基纳米压阻传感器的工作原理。当施加外界载荷时，导电单元之间的距离在外力作用下发生变化，从而改变传感器中有效导电路径的数量；这使得碳基纳米材料构成的微观导电网络产生变化，导电填料颗粒在高分子聚合物基体中发 生位移并重构整体的导电网络。当传感器受到的载荷方向不同时，传感器里的导电网络有两种相反的变化情况。
当传感器受到压应力时，导电单元之间的平均距离变小，更多的导电单元所在区域达到准接触的状态，因此形成更多的导电通路，传感器的电阻降低；当传感器受到拉应力时，导电单元的平均距离增大导致导电通路减少，使部分直接接触的导电单元脱离接触状态，同时使得部分构成 隧道电阻的节点断开，因此传感器电阻在一定程度上增大。
将传感器与被监测结构一体化集成后，当结构受到一定的外界载荷时，通过测量与结构集成一体的传感器的电阻信号即可对被监测结构的受载情况进行实时监测。当外界载荷卸载时，传感器中的导电网络恢复到未加载之前的状态，传感器电阻也恢复到初始值。
当CFRP螺栓连接结构受到外界载荷的作用时，其结构状态会发生一定程度的变化，而在其发生失效时，这种状态变化会加剧。将具有监测应变能力的碳基纳米压阻传感器与CFRP螺栓连接结构一体化永久集成后，凭借其灵敏度和集成度高、制备简单等优点可以较为便捷地实现对连接结构状态的健康监测。CFRP螺栓连接结构失效发生时，复合材料可能会出现不同程度的局部变形、分层、纤维断裂和基体开裂等情况，在宏观上表现为层合板的局部损伤或螺杆的弯曲变形等。这些状态变化通过螺栓连接结构传递到与其集成的碳基纳米压阻传感器上，传感器随结构状态变化而产生形变，传感器内部的部分导电路径断开，传感器整体的导电网络变得稀疏，其电阻信号相较初始状态有所上升。当层合板受到挤压载荷时，复合材料中的纤维被压缩，传感器各部分材料随纤 维的压缩而收缩，传感器内部形成一部分新的导电网络，传感器整体的导电网络变得致密，其电阻信号相较初始状态有所下降，由此就可通过碳基纳米压阻传感器的电阻信号反映CFRP螺栓连接结构的健康状况。用于CFRP螺栓连接结构健康监测的碳基纳米压阻传感器的设计需要考虑诸多因素的影响，同时需要结合不同失效模式的特点和传感器的工作原理进行方案设计。在分析传感器监测原理的基础上制备具有优异传感性能的传感器是首要问题，这可以保证传感器对连接结构监测的灵敏度。传感器组分配比及其与结构集成区域的大小和位置、电极布设位置等都是影响连接结构状态监测效果的因素。合适的传感器组分配比保证了传感器具有良好的机械性能和压阻性能，传感区域的大小和位置决定了传感器监测损伤敏感区域的范围，传感器的喷涂层数决定了传感器的初始导电网络，电极的位置决定了实际监测的灵敏度。此外，螺栓紧固件的尺寸参数和螺栓的预紧力也影响着传感器的初始状态，也在一定程度上影响着传感器的监测灵敏度。
为了实现基于碳基纳米压阻传感器的螺栓松动监测目标，制作CB/PVP压阻传感器。由于无水乙醇挥发性好、污染程度低，且具有良好的溶解能力，选择其作为制备CB和PVP混合油墨的有机溶剂；导电银胶用于制作碳基纳米压阻传感器中的电 极。CB/PVP传感器的制备过程如图14所示， 制备流程具体包括称量溶解、机械搅 拌处理、超声水浴处理、磁力搅拌处理、喷涂成型和涂覆电极。
传感器性能测试部分包括传感器微观表征、导电性能测试、压阻性能测试等方面。使用扫描电子显微镜观察具有不同CB质量分数的CB/PVP传感器中CB粒子的分散状态，使用数字源表的电阻测量功能测量具有不同质量分数CB的CB/PVP传感器的电导率，使用推拉力计测试CB/PVP传感器在外界压力载荷下的响应稳定性。将CB/PVP传感器喷涂在50 μm厚的柔性聚酰亚胺（PI）薄膜上，用于静态和循环压力载荷测试传感器的压阻性能。
如图15所示，使用推拉力计测试了面积为30 mm×20 mm的CB/PVP传感器在外界压力载荷下的响应稳定性。
图16展示了不同CB质量分数CB/PVP传感器的相对电阻（ΔR/R0）变化与压强的关系。结果表明，具有不同CB质量分数的CB/PVP传感器的ΔR/R0都随压强的增加而减小。随着压强的增加，CB颗粒相互靠近导致CB颗粒之间的平均距离减小，更多的CB颗粒从不接触和准接触状态过渡到准接触和直接接触状态，在传感器中形成了更多导通的导电路径，传感器中的导电网络相较于初始状态发生重构并变得致密，传感器的ΔR/R0不断增大。此外，从图16中可以看出，传感器的最大相对电阻变化量随着CB质量分数的增加而增加，其中质量分数18%、20%、25%、30%的CB/PVP最大相对电阻变化量分别为–30.5%、–41.5%、–45.1%、–58.3%，在同样的压力载荷下30%的CB/PVP的灵敏度最高。这是由于外部压力载荷增加时，具有高CB质量分数的CB/PVP传感器中会有更多的导电粒子状态发生变化，因此产生更多的导电路径以增大传感器的相对电阻变化。
针对CFRP螺栓连接结构的失效模式监测目标，需要使用对结构状态变化更为敏感的压阻传感器。选用CB和CNT作为混合碳基填料构建纳米压阻传感器中的导电网络，以充分利用其各自的理化特性，在降低传感器渗流阈值的同时，还可以通过导电填料颗粒之间的不同特性构建更为高效的导电网络，以提供给传 感器更高的响应灵敏度。CB&CNT/PVP传感器的制作流程及力学性能测试与上文描述的CB/PVP传感器类似。
3碳基纳米压阻传感器的螺栓连接结构松动监测试验验证
CB/PVP传感器与CFRP螺栓连接结构的一体化集成方案如图17所示。碳基纳米压阻传感器有多种成型方式，如浸涂、喷涂和电泳沉积等。通过喷涂成型将具有最佳灵敏度的30% CB/PVP传感器与CFRP螺栓连接结构集成。CB/PVP传感器的喷涂区域为35 mm× 35 mm，为了提供用于监测CFRP螺栓连接结构松动的高灵敏度碳基纳米压阻传感器，在CFRP层压板上设置了两种电极布设方案，包括覆盖整个垫片传感区域的电极方案A和涉及垫片局部较少传感区域的电极方案B。此外，在传感器和层压板之间添加一层10 μm厚的丙烯酸树脂材料作为绝缘层，以避免CFRP层合板引起传感器的短路。
采用图15所示的推拉力计对不同电极布设方案下传感器相对电阻变化与压力载荷之间的关系进行测量，其结果如图18所示。可以看出在相同的压强下，使用电极方案A和电极方案B的传感器最大相对电阻变化分别为–59.8%和–30.3%。采用覆盖整个垫片区域的电极方案A的传感器比采用只覆盖部分垫片区域的电极方案B的传感器更加灵敏，且电极方案A的传感器相对电阻变化比电极方案B的高29.5%。出现这种现象的原因是覆盖整个垫片区域的电极布设方案A的传感区域内包含了更多导电填料，使其在随着压力载荷增加的同时产生更多导电路径，由此引起传感器更灵敏的响应，即获得更大的相对电阻变化。
采用数字源表、扭矩扳手和实时电阻测量输出软件，开展CB/PVP传感器的CFRP螺栓连接结构松动监测试验。对于两种电极布设方案，分别使用外径为25 mm和18 mm的两种垫片。CB/PVP传感器的相对电阻变化随扭矩的变化关系如图19所示，在两种电极布设及两种不同外径垫片情况下，传感器相对电阻变化均随施加在CFRP螺栓连接结构上扭矩的增加而明显降低；可以看出CB/PVP传感器对CFRP螺栓连接结构松动监测具有较高的灵敏度。传感器在垫片外径为25 mm时的灵敏度高于垫片外径为18 mm时灵敏度， 最大相对电阻变化分别相差25.8%和11.6%。在施加相同的扭矩下，电极方案A获得的相对电阻变化显著高于电极方案B，这与图18中的试验结果一致。试验结果表明，本文所提出的传感器集成方案和电极布设方案在应用于CFRP螺栓连接结构的松动监测方面具有较高的可行性和有效性，同时在不同尺寸紧固件参数下同样适用。
提出了基于柔性涡流传感阵列薄膜和基于碳基纳米压阻传感器的两种传感监测技术，以实现对先进碳纤维增强复合材料螺栓连接结构不同损伤模式的辨识和损伤参数的定量化监测。相比于超声导波等传统监测方法，它们具有更高的集成度且适用于复杂结构。本文在实验室环境下对两种传感器的监测功能进行了验证，但是将其推广应用于实际工程结构，后续还有很多研究工作需要深入开展，具体包括： (1) 在基于柔性涡流传感阵列薄膜的螺栓连接结构损伤监测中，预紧力、温度、湿度等因素必定对监测信号造成影响，因此需要研究在处理监测结果时对环境因素的补偿方法。 (2) 对于两种传感监测技术，都只验证了当结构状态参数改变时（结构损伤与螺栓松动等发生）传感器的输出随之变化，有关损伤监测灵敏度、精度、量程等传感器指标有待进一步研究。 (3) 实际工程应用中，特别是应用于多螺栓连接结构时，需要对传感器的走线及信号传输方式进行改进， 进一步增强其与螺栓连接结构的集成一体化，使其具有较好的工程适用性。 (4) 所提出的两种传感监测技术除了可用于CFRP螺栓连接结构的损伤监测外，同样可应用于各向同性的金属连接结构的损伤监测，但柔性涡流传感阵列薄膜只能用于具有较好导电性能的连接结构。 (5) 垫片的外径影响碳基纳米压阻传感器的灵敏度，主要是由于在相同的扭矩下，垫片外径较大时，覆盖的传感器区域较大，而碳基纳米压阻传感器在较小压强时的灵敏度较高。
作者：卿新林，黄媛，颜佳佳，宋沛强，刘琦牮，孙虎
工作单位：厦门大学
来源：航空制造技术
