摘要：文章介绍了一种“全增材制造”的新型复合材料制造框架，该框架旨在为碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料赋予实时自感知结构健康状况的能力。该框架结合了熔融沉积建模（FDM）和气溶胶喷射打印（AJP）两种增材制造技术，在复合材料中嵌入了由石墨烯/纤维素纳米晶体纳米复

摘要：文章介绍了一种“全增材制造”的新型复合材料制造框架，该框架旨在为碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料赋予实时自感知结构健康状况的能力。该框架结合了熔融沉积建模（FDM）和气溶胶喷射打印（AJP）两种增材制造技术，在复合材料中嵌入了由石墨烯/纤维素纳米晶体纳米复合材料制成的超薄压阻式传感网络以及基于银油墨的电路。通过微观形貌和层间剪切强度测试，证实了不同组件之间具有足够的界面结合，从而保证了“全增材制造”的可靠性。结果表明，这种功能化CFRP复合材料对由循环载荷引起的准静态应变以及高达200 kHz的超声波弹性扰动具有极高的灵敏度。这项研究强调了“全增材制造”概念在制造功能化复合材料方面的潜力，实现了结构功能与结构健康状况自感知的完美融合，而不会降低原始的结构完整性。

随着航空航天、汽车制造等行业对高性能复合材料需求的增长，碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料因其优异性能而备受青睐。然而，CFRP 复合材料易受损伤，对其结构完整性进行实时监测至关重要。传统的监测方法需要集成外部传感器，这会降低复合材料的性能并增加成本。增材制造 (AM) 技术为开发具有自传感功能的 CFRP 复合材料提供了新的途径，实现了结构功能与传感功能的集成。

近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由香港理工大学机械工程系、南方科技大学系统设计与智能制造学院、西安交通大学航空航天动力系统与等离子体技术国家重点实验室和哈尔滨工业大学机械工程与自动化学院的研究团队完成的有关基于全增材制造概念的功能化碳纤维增强复合材料自传感网络的研究成果。该研究开发了一种基于“全增材制造”概念的制造框架，并通过多材料混合打印方法成功制备了具有超高灵敏度自传感功能的 CFRP 复合材料，为开发具有自监测结构完整性的 CFRP 复合材料提供了新的机遇。论文标题为“Totally-additive-manufacturing-functionalized carbon fiber-reinforced polymer composites with an ultrasensitive self-sensing network”。

实验材料包括尼龙和碳纤维丝材、石墨烯/纤维素纳米晶体纳米复合材料墨水以及导电银墨水。该研究采用混合打印方法，结合 FDM 和 AJP 技术，实现 CFRP 复合材料和传感网络的制造。首先，通过 FDM 技术，尼龙丝材和连续碳纤维丝材分别通过独立的打印头连续打印，形成具有特定碳纤维层和方向性的 CFRP 复合材料结构。然后，使用 AJP 技术，将石墨烯/CNC 纳米复合材料墨水喷射到 CFRP 层压板特定位置的绝缘层上，形成独立的传感单元，并用银墨水连接各个传感单元，形成传感网络。

图1 石墨烯/CNC油墨制备流程图。

图2 两种AM方法的示意图：（a）用于连续光纤打印的FDM；（b） AJP用于传感网络打印。

研究人员探讨了气溶胶喷墨打印（AJP）过程中的最佳打印参数选择，特别是聚焦比和台面速度对打印质量的影响。当气体流速设定为600 sccm，雾化器气体流速也为600 sccm，台面速度为10 mm/s时，能够获得最佳的打印效果，确保了石墨烯/纤维素纳米晶体（CNC）纳米复合材料墨水在传感单元中的均匀分布和稳定的导电网络形成。

研究人员对传感单元的形貌和电学性能进行了详细表征，通过扫描电子显微镜（SEM）观察到石墨烯/CNC在传感单元中均匀且良好地分散，没有明显的聚集现象，且随着打印次数的增加，传感单元的电阻逐渐降低并趋于稳定，表明其电学性能得到了优化。

此外，研究还评估了嵌入传感网络对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料界面完整性的影响，通过SEM分析和层间剪切强度（ILSS）测试，证实了“完全增材制造”技术在保持复合材料结构完整性方面的有效性，嵌入的传感单元对CFRP复合材料的界面完整性影响可以忽略不计。

图3 “完全增材制造”概念示意图——功能化碳纤维复合材料。

图4 低频动态测试：（a）样品的爆炸图；（b） 原型；（c） 如图所示的实验装置。

图5 高频GUW测试功能化CFRP层压板的说明

图6 高频GUW测试的实验设置和结果

该研究开发的“全增材制造”制造框架为制造具有自传感功能的 CFRP 复合材料提供了一种新的方法，并展示了其在监测 CFRP 复合材料完整性方面的潜力。

原始文献：

Wang, Q., Ma, M., Duongthipthewa, A., Zhang, W., Lang, Y., Luo, G., ... & Su, Z. (2024). “Totally-additive-manufacturing”-functionalized carbon fiber-reinforced polymer composites with an ultrasensitive self-sensing network. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 189, 108596.

原文链接：

责任编辑：复小可

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来源：科学真理