期刊《Composites Part B》发表了关于应用镀镍碳纤维(Ni-CF)丝束进行玻璃纤维增强材料(GFRP)自监测的研究。论文标题为“In-situ structural health self-monitoring and diagnosing of glass fiber reinforced plastics with embedded nickel coated carbon fiber”.

1. 背景意义

纤维增强塑料（FRPs）因高比强度、耐腐蚀性等优势，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。但这类材料力学性能呈各向异性，缺陷易引发微裂纹扩展致灾难性失效。传统结构健康监测（SHM）技术流程复杂，且破坏材料力学性能，难以实现高效原位实时监测。因此，开发无损伤、高可靠性的自诊断复合材料，对优化结构安全系数、降低制造成本、保障工程结构安全具有重要意义，成为行业亟待解决的关键问题。

2. 内容简介

选用玻纤机织物为增强体，环氧树脂与固化剂为基体，3K Ni-CF丝束为传感元件。通过真空辅助树脂灌注工艺（VARI）制备Ni-CF/GFRP 复合材料，将Ni-CF 丝束嵌入五层玻纤织物中，如图1所示，依据嵌入位置设计四种样品，将样品切割为标准拉伸（250×25×2.25mm）和弯曲（86.4×13×2.25mm）试样。

图1 Ni-Cf/GFRP制备示意图

采用微滴测试评估 Ni-CF/EP 与GF/EP 的界面剪切强度（IFSS），通过场发射扫描电镜（SEM）观察纤维脱粘后的表面形貌；利用万能试验机分别进行单调拉伸、循环拉伸和弯曲试验，测试复合材料的拉伸强度、模量、弯曲强度等关键力学参数，验证Ni-CF 嵌入对GFRP力学性能的影响。

图2 机电试验示意图：(a)连接电极的试件 (b)测试系统的配置

Ni-CF 与环氧树脂的界面剪切强度为31.06 MPa，远高于玻纤与环氧树脂的19.56 MPa。如图3所示，SEM 观察发现，Ni-CF 脱粘后表面残留大量树脂，而玻纤表面树脂残留较少，Ni-CF 与基体具有更优的界面相容性，这得益于其表面浸润剂与粗糙结构。

图3 脱粘表面的表面形貌：(a)GF (b)Ni-Cf

如图4所示，力学性能测试表明，嵌入Ni-CF 丝束未降低 GFRP 的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度及弯曲模量，两种核心样品（1′、2′Ni-CF/GFRP）与纯 GFRP 的力学性能无显著差异，说明 Ni-CF 不会成为材料薄弱相，也未引发应力集中。

图4 GFEP和Ni-CF/GFRP复合材料的力学性能：(a)拉伸强度 (b)拉伸弹性系数 (c)弯曲强度 (d)弯曲弹性模量 

机电响应实验中，单调拉伸下Ni-CF/GFRP的电阻变化分为两阶段：弹性变形阶段电阻变化平缓，超过转折点后电阻急剧增大。1′Ni-CF/GFRP 的两阶段变灵敏系数分别为707.99 和 2274.89，2′Ni-CF/GFRP 则为 326.37 和 1051.31，前者预警灵敏度更高。循环拉伸试验中，电阻变化与应力变化同步增减，峰值与谷值一致，仅存在轻微波动，验证了传感稳定性。

图5 量规系数(GF)值的演变：(a)1‘Ni-Cf/GFRP (b)2’Ni-Cf/GFRP

3. 主要结论

1.界面性能方面，Ni-CF 表面浸润剂与粗糙结构提升了与环氧树脂的相容性，其界面剪切强度达31.06 MPa，显著高于玻纤与基体的19.56 MPa，且嵌入Ni-CF 不会损害GFRP 的拉伸、弯曲等力学性能。

2.传感性能上，单调拉伸时 Ni-CF/GFRP 的电阻变化呈现两阶段特征：弹性变形阶段电阻平缓，超过转折点后电阻急剧增大，循环加载试验证实其电阻变化与应力变化高度同步，传感稳定性可靠。

3.安全性能方面，1′Ni-CF/GFRP 与 2′Ni-CF/GFRP 的安全系数分别为1.34 和1.50。嵌入位置影响自诊断效果，1′型在预警阶段灵敏度更高，适用于低失效风险结构；2′型安全系数更高，适配高安全要求场景。

原文文献：Yue Zhao, Chun Yan, Haibing Xu, Guangbin Cai, Hongli Jia, Gang Chen, Ali Imran, Yingdan Zhu,In-situ structural health self-monitoring and diagnosing of glass fiber reinforced plastics with embedded nickel coated carbon fiber,Composites Part B: Engineering