薄壁结构因其优异的轻量化特性和能量吸收能力，已在载运工具等领域得到广泛应用。随着轻量化、被动安全和智能化需求的日益突出，具有高比刚度、高比强度和出色承载性能的连续碳纤维增强复合材料（CFRC），正在成为薄壁结构材料领域的新一代解决方案。除了保证卓越耐撞性能以外，确保薄壁结构在全生命周期内的安全可靠性也是至关重要的。传统薄壁结构健康监测技术存在实时性不足、实施成本高和耐久性差等问题。连续碳纤维（CCF）优异的导电性能为CFRC基于电阻变化的损伤自监测提供了新思路。虽然3D打印CFRC结构的自监测性能已被证实，但其机电行为在不同结构和载荷条件下表现出明显差异。CFRC薄壁结构在变形过程中呈现多样化破坏形式，导致电信号变化规律复杂，因此有必要系统研究其在大变形下形变与电阻变化的关联机制。
2025年5月，中南大学交通运输工程学院汪馗教授团队将连续碳纤维增强聚乳酸复合材料用于制造薄壁结构，通过开尔文四端子检测法，针对三种不同打印层高的薄壁结构，在准静态侧向压缩与轴向压缩工况下探究了压缩变形与电阻变化的关联规律。文章发表于复合材料TOP期刊《Composite Structures》，论文标题为“Real-time self-monitoring properties in 3D printed continuous carbon fiber reinforced thin-walled composite structures under large deformation”。博士研究生黄扬宇为第一作者。
该研究聚焦于3D打印连续碳纤维增强薄壁结构(CCFTCSs)，基于熔丝制造(FFF)技术，制备了高度20毫米，外径50毫米的圆柱形薄壁结构，打印层高设置为0.5 mm、0.4 mm和0.3 mm。在CCF传感元件末端装配电极，以确保电信号传输稳定性。针对实际应用工况，作者对CCFTCSs开展了准静态侧向压缩与轴向压缩力学性能测试，同时通过开尔文四端子检测法，实时记录CCFTCSs电信号的变化(图1)。
图 1. 用于CCFTCSs自监测性能测试实验方法：(a) 准静态压缩实验、(b) 电阻测量方法、(c) 电阻测量系统。
在准静态侧向压缩时，不同层高的CCFTCSs的力-位移曲线呈现相似的变化规律：载荷先快速达到峰值，随后逐渐降低并趋于稳定，最终又出现二次强化阶段，其变形过程均可划分为三个阶段：弹性阶段、渐进压溃阶段和致密化阶段(图2)。在弹性阶段和渐进压溃阶段，∆R-位移曲线呈现明显的双线性变化（相关系数R2＞0.816），随后在致密化阶段转为非线性急剧上升。当层高小于0.5 mm时，弹性阶段R2＞0.986，渐进压溃阶段R2＞0.990，展现出更高的线性关系(表1)。∆R-位移曲线斜率的改变可作为CCFTCSs变形阶段转换的特征指标，当斜率由α1突变为α2时，标志CCFTCSs进入到渐进压溃阶段，而当斜率显著超过α2时，则表明结构开始进入致密化阶段(图2和图3)。
表1 ∆R-位移拟合线的斜率（α1和α2）及相关系数（R²）。
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图2 CCFTCSs在侧向压缩下的实验结果：(a) 力-位移曲线；不同层高下的力与∆R随位移变化曲线：(b) 0.5毫米，(c) 0.4毫米，(d) 0.3毫米。
图3 CCFTCSs在侧向压缩下的变形历史。
在准静态轴向压缩条件下，CCFTCSs的压缩过程可分为渐进压缩和溃缩两个阶段，力-位移曲线首先经历弹性变形阶段并达到首个峰值载荷，随后载荷下降至波谷值。在溃缩阶段，由于截面折叠产生的密实化效应，载荷曲线呈现回升现象(图4)。此时，∆R-位移曲线呈现出”下降-上升”的波动模式。轴向压缩过程中，CCFTCSs在厚度方向由于层与层之间纤维相互接触形成新的导电电路(图5)，导致∆R突然下降，且下降幅度可达80%。随着进一步压缩，CCFTCSs纤维与基体间多样化的失效模式导致∆R出现波动式变化(图6)。但∆R的变化与变形阶段的转变之间仍有较强相关性，可通过追踪电阻变化的波动模式实现CCFTCSs灾难性损伤的实时监测。
图4 CCFTCSs在轴向压缩下的实验结果：(a) 力-位移曲线；不同层高下的力与∆R随位移变化曲线：(b) 0.5毫米，(c) 0.4毫米，(d) 0.3毫米。
图5 垂直导电通路的示意图
图6 CCFTCS试件纤维破坏形式：(a) 纤维拔出；(b) 纤维断裂；(c) 纤维脱粘。
该研究基于熔丝制造(FFF)技术，设计了具备自监测能力的连续碳纤维增强薄壁结构(CCFTCSs)。在准静态条件下通过压缩试验研究了薄壁结构的变形行为与电学信号响应之间的关联机制。通过将连续碳纤维作为传感元件嵌入CCFTCSs，实现了基于电阻变化的结构形变自监测。实验研究了载荷方向和打印层高对CCFTCSs自监测行为的影响，并详细分析了纤维与基体失效模式对电阻影响机制。
原始文献：
HuangY, Wang D, WenW, et al. Real-time self-monitoring properties in 3D printed continuous carbon fiber reinforced thin-walled composite structures under large deformation[J]. Composite Structures, 2025, 369: 119341.
原文链接：
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119341
投稿作者： 黄扬宇