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文章题目：Sandwich-structured electrospun polyvinylidene difluoride sensor for structural health monitoring of glass fiber reinforced polymer composites
第一作者：林浩坤
通讯作者：周何乐子
通讯单位：华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室
DOI：10.20517/microstructures.2024.30
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图片摘要
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背景介绍
玻璃纤维增强聚合物（GFRP）具备耐腐蚀性和优异的机械性能，因此成为了船舶和航空航天产业中的常见材料。然而，服役中不可避免的损伤积累可能导致 GFRP构件失效以及随之而来的经济损失。因此，GFRP的原位应力监测和损伤监测对于GFRP的应用十分重要。
02
文章简介
现有的GFRP服役监测传感器面临的两个关键挑战，其一是它们无法同时实现应力监测和层间裂纹监测，另一个问题则是传感器可能会降低复合材料的机械性能。在这项工作中，我们设计了一种三明治结构的聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维传感器，它能够用于GFRP监测且不会牺牲机械性能。这种传感器能够监测应力和层间裂纹扩展。在应力监测方面，传感器获得的压电信号在力施加时表现出明显的线性度。对于层间裂纹，我们通过电容信号进行了原位监测。并且，本文进行了各种力学测试，以分析传感器对GFRP拉伸性能、弯曲性能、层间剪切性能和断裂韧性的影响。
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结论与展望
本研究利用静电纺丝PVDF膜的压电和介电特性，设计了一种三明治结构的PVDF传感器，实现了GFRP 构件中应力监测和层间裂纹监测。该传感器还可以在不牺牲机械性能的情况下满足GFRP监测中对嵌入式传感器的需求。通过与碳纳米管薄膜和铜电极进行比较，我们采用了与PVDF模量相似且信号稳定的Au-PVDF作为传感器电极。
在传感方面，我们通过动态三点弯曲实验验证了传感器监测GFRP应力状态和疲劳失效过程的能力。I型层间断裂韧性实验则证明了传感器通过收集电容数据来监测 GFRP中层间裂纹产生与发展的能力。通过与其他工作中复合材料传感器的监测效果进行比较，说明了本工作中传感器实现GFRP应力、失效和层间裂纹监测具备功能上的创新性。
在机械性能方面，三明治PVDF传感器对基础力学性能几乎无影响（<-7%），但对于Ⅰ型层间断裂韧性影响较大（-44.79%）。电子显微镜与光学显微镜下的观察结果表明，PVDF膜中的未浸润区域导致了层间韧性下降。未来可以通过静电纺丝微观结构设计和钻孔，对传感器的浸润效果进行优化。
基金支持
本文研究由国家自然科学基金（52275336和U20A20288）支持。
通讯作者简介
周何乐子，华中科技大学材料科学与工程学院副教授，悉尼大学联合培养博士及访问学者。研究方向为纤维增强树脂基复合材料成形及微纳改性。主持国家自然科学基金面上，多项企业、军工研究所技术合作项目，作为核心骨干参与重大国际合作研究项目、国家重点研发等。在国内外重要期刊上发表论文30余篇，合作编写英文专著1部，授权国家发明专利10余项，获省部级奖项2项。复合材料核心期刊 Composites Science and Technology, Composite Part A, Composite Part B, Composite Structure，Composites Communication等及Carbon、Thin-Walled Structures等审稿人。
周华民，先后获国家杰出青年科学基金、长江学者特聘教授、国家万人计划领军人才、百千万人才工程国家级人选、中国青年科技奖、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴等。担任华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室主任，学院院长，兼任国务院学位委员会学科评议组成员、教育部科技委委员、中国兵工学会精密成形工程专委会主任等。先后担任14个期刊编委等。主要从事材料成形仿真软件与智能装备研究，发表论著400余篇，授权发明专利100余项，出版专著教材10余部。获国家科技进步二等奖4项（分别排名第1、1、3、5）、国家自然科学二等奖1项（排名第3）、国家教学成果二等奖1项（排名第1）。
关于期刊
Microstructures [ISSN 2770-2995(Online)]是一本金色开放获取，严格同行评议的国际学术期刊，目前已被ESCI，Scopus, CAS, Dimensions, Lens, CNKI等重要数据库收录。刊文范围包括从微观尺度到原子尺度，面向终端用户的应用程序的设计、制造、建模、表征、测试和评估，涵盖但不限于金属和合金、陶瓷、聚合物、复合材料、晶体、玻璃、生物材料、界面和纳米材料等。
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