基于印刷傳感層電阻抗成像的復合材料結構損傷識別

鄭一飛 嚴剛 郭樹祥

摘要：本文提出通過絲網印刷技術，將石墨烯導電碳油墨以及銀漿油墨印刷在復合材料結構表面形成智能傳感層，對復合材料結構中的損傷進行監測和識別。采用準靜態壓痕的方式在復合材料結構中引入多個損傷，通過在印刷傳感層的邊界電極依次注入微小的電流，測量獲得損傷前后傳感層邊界電壓變化，重建損傷引起的電導率變化圖像，從而提供有關損傷的信息。試驗結果表明，該印刷傳感層性能良好，重建的電導率變化圖像能夠較好地反映損傷的數量、位置和近似尺寸，為復合材料結構中損傷的定量監測和識別提供了一種有前景的應用技術。

關鍵詞：復合材料結構；損傷監測和識別；印刷傳感層；電阻抗成像

中圖分類號：V241文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.011

基金項目：航空科學基金（2017ZA52005）；機械結構力學及控制國家重點實驗室自主課題（MCMS-I-0218G01）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

復合材料因比模量大、比強度高、抗疲勞性能好等優點，在航空領域得到廣泛應用[1]。如波音787客機的復合材料用量達到結構重量（質量）的50%。但復合材料結構在長期使用中，不可避免會受到損傷，如不能及時發現，將導致災難性后果。因此，應用結構健康監測系統及時獲取損傷信息，對準確評估結構完整性、提高飛行安全具有重要意義[2]。

針對復合材料結構中的損傷，目前已經研制了很多類型的傳感器，并發展了相應方法對其進行連續在線監測[3-4]。其中基于光纖傳感器和應變、基于壓電傳感器和超聲導波的結構健康監測技術被認為非常有應用前景，經過20多年研究已逐漸成熟并開始向實際結構應用轉化[5-6]。但隨著材料、電子、信息等學科的發展，新的傳感和監測方法也不斷涌現，與現有技術相互補充[7]，如基于各種印刷技術制備的傳感器以其成本低、易與結構集成等優點而被應用到結構健康監測領域。

早期發展的印刷傳感器以監測應變為主，如Zhang等通過絲網印刷和噴墨印刷的方法將碳油墨蛇形應變傳感器印制在柔性聚合物基底上，將其粘貼在結構試件上進行的拉伸和疲勞試驗結構表明，印刷傳感器具有優良的性能和可靠性，以及比傳統應變片更高的靈敏系數，并在4000με、105疲勞次數下仍有良好的線性特征[8]；Zymelka等基于碳漿油墨，采用絲網印刷的方式制備了全向應變傳感器，并以陣列的形式監測結構的變形，試驗結果表明應變數據可有效反映并定位到裂紋發生的位置[9]。近來，新形式和新物理量測量的印刷傳感器也不斷發展，如Liao等應用石墨烯等納米材料的壓阻特性，印刷制作了可以接收超聲導波的薄膜傳感器，由此可以代替傳統的壓電晶片傳感器用于損傷監測[10]；Bekas等在修補的復合材料結構表面噴墨印刷了環形的叉指型傳感器，用于監測修補部位的脫黏以及沖擊損傷[11]。但現有印刷傳感器的研究大多局限于監測結構中的單個損傷，還未采用印刷傳感器對結構中多個損傷的監測和識別進行系統研究。

本文提出應用絲網印刷方法在復合材料結構表面直接印刷智能傳感層，結合電阻抗成像技術對結構中的多個損傷進行監測，識別出損傷的數量、位置和大致尺寸，進行了試驗研究來驗證所提出技術和方法的有效性。

1印刷傳感層的制備

本文首先制備了玻璃纖維層合板作為基礎結構，用于在其表面印刷智能傳感層，并進行損傷監測和識別試驗。將10層厚度為0.2mm的玻璃纖維平紋布進行手工鋪層，均勻涂布混合固化劑的環氧樹脂，并保證層間無氣泡且纖維布被樹脂完全浸漬。鋪層完畢后，使用重物壓實，在常溫下固化24h成形，并裁剪成尺寸為200mm×200mm的試件，其厚度為2.1mm。

采用絲網印刷的方式將導電油墨印刷在層合板表面作為智能傳感層。絲網印刷的網版圖案在CAD軟件中設計，傳感層的尺寸為100mm×100mm，在其四周邊界等距離布置16個電極并與導電線路連接，導電線路的寬度為2mm。圖1（a）為傳感層的印刷流程：（1）將層合板安放在絲網印刷臺上，在其上部放置傳感層網版；（2）在網版的上表面一側倒入石墨烯導電碳油墨，用刮刀傾斜一定的角度將油墨從網版一側刮到另一側，印刷得到石墨烯導電碳油墨傳感層；（3）將印刷了傳感層的層合板放置在100℃的烘箱中，固化10min后取出；（4）將導電線路網版按照與傳感層對應的位置放置在層合板上，在網版上表面一側倒入銀漿油墨，用同樣的方法將導電線路印刷在層合板表面，在烘箱中固化10min后得到導電線路。圖1（b）為印刷了傳感層和導電電路的玻璃纖維復合材料層合板。

2電阻抗成像

電阻抗成像原是醫學領域以生物體內電阻抗的分布或變化為重建目標的一種無損傷成像技術[12]，近年來被引入復合材料結構健康監測領域，用于對導電的碳納米復合材料結構進行損傷識別，取得了良好的效果[13-14]。

電阻抗成像包括正問題和逆問題兩個方面的內容。正問題是在已知物體內部電導率分布情況下，計算由邊界電流激勵信號而產生的內部場域電勢分布。通常注入的電流頻率很低，電流場可作為穩態場處理，電壓—電流關系由帶有適當邊界條件的拉普拉斯方程決定，即：

式（8）給出的Tikhonov正則化解中，正則化參數的選擇很關鍵，決定計算速度和成像質量。當參數取值過小，計算結果接近問題的真實解，但會影響解的穩定性；當參數取值過大時，計算結果會偏離真實解，嚴重影響解的準確性。本文中選用L曲線法來選取正則化參數[17]。L曲線法通過將式（7）中的正則化項和殘差項進行對比來尋找一種平衡關系確定最優正則化參數，使得正則化項和殘差項都比較穩定。該方法形成的圖形類似于L形狀曲線，其拐點（平衡點）對應的參數值即為所選取的最優正則化參數。

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（責任編輯王為）

作者簡介

鄭一飛（1995-）男，碩士。主要研究方向：復合材料結構健康監測。

Tel：13016980671E-mail：zhengyifei@nuaa.edu.cn

嚴剛（1981-）男，副教授，博士。主要研究方向：結構健康監測。

Tel：13951965703

E-mail：yangang@nuaa.edu.cn

郭樹祥（1976-）男，副教授，博士。主要研究方向：結構完整性評估。

Tel：15251870112

E-mail：nuaagsx@nuaa.edu.cn

Damage Detection for Composite Structures by Using Printed Sensing Layer and Electrical Impedance Tomography

Zheng Yifei，Yan Gang*，Guo Shuxiang

State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： In this paper， an intelligent sensing layer is proposed to detect and identify damage by directly printing conductive graphene-doped carbon ink and silver ink on the surface of composite structure through screen printing technology. Quasi-static indentation method is adopted to introduce multiple sites of damage in the composite structure， and then tiny currents are sequentially injected into the electrodes pairs on the boundary of the printed sensing layer. According to the corresponding measured change of boundary voltages before and after damage， the images about the distribution of electrical conductivity change caused by the damage are reconstructed， providing useful information about the damage. Experimental results have demonstrated that， the printed sensing layer is well performed and the reconstructed tomographic images can successfully indicate the number， locations and approximate sizes of the damage， providing a promising technique for quantitative damage detection and identification for composite structures.

Key Words： composite structure； damage detection and identification； printed sensing layer； electrical impedance tomography