期刊《Composites Part B》發表了關于應用鍍鎳碳纖維(Ni-CF)絲束進行玻璃纖維增強材料(GFRP)自監測的研究。論文標題為“In-situ structural health self-monitoring and diagnosing of glass fiber reinforced plastics with embedded nickel coated carbon fiber”.

1. 背景意義

纖維增強塑料（FRPs）因高比強度、耐腐蝕性等優勢，廣泛應用于航空航天、汽車、建筑等領域。但這類材料力學性能呈各向異性，缺陷易引發微裂紋擴展致災難性失效。傳統結構健康監測（SHM）技術流程復雜，且破壞材料力學性能，難以實現高效原位實時監測。因此，開發無損傷、高可靠性的自診斷復合材料，對優化結構安全系數、降低制造成本、保障工程結構安全具有重要意義，成為行業亟待解決的關鍵問題。

2. 內容簡介

選用玻纖機織物為增強體，環氧樹脂與固化劑為基體，3K Ni-CF絲束為傳感元件。通過真空輔助樹脂灌注工藝（VARI）制備Ni-CF/GFRP 復合材料，將Ni-CF 絲束嵌入五層玻纖織物中，如圖1所示，依據嵌入位置設計四種樣品，將樣品切割為標準拉伸（250×25×2.25mm）和彎曲（86.4×13×2.25mm）試樣。

圖1 Ni-Cf/GFRP制備示意圖

采用微滴測試評估 Ni-CF/EP 與GF/EP 的界面剪切強度（IFSS），通過場發射掃描電鏡（SEM）觀察纖維脫粘后的表面形貌；利用萬能試驗機分別進行單調拉伸、循環拉伸和彎曲試驗，測試復合材料的拉伸強度、模量、彎曲強度等關鍵力學參數，驗證Ni-CF 嵌入對GFRP力學性能的影響。

圖2 機電試驗示意圖：(a)連接電極的試件 (b)測試系統的配置

Ni-CF 與環氧樹脂的界面剪切強度為31.06 MPa，遠高于玻纖與環氧樹脂的19.56 MPa。如圖3所示，SEM 觀察發現，Ni-CF 脫粘后表面殘留大量樹脂，而玻纖表面樹脂殘留較少，Ni-CF 與基體具有更優的界面相容性，這得益于其表面浸潤劑與粗糙結構。

圖3 脫粘表面的表面形貌：(a)GF (b)Ni-Cf

如圖4所示，力學性能測試表明，嵌入Ni-CF 絲束未降低 GFRP 的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度及彎曲模量，兩種核心樣品（1′、2′Ni-CF/GFRP）與純 GFRP 的力學性能無顯著差異，說明 Ni-CF 不會成為材料薄弱相，也未引發應力集中。

圖4 GFEP和Ni-CF/GFRP復合材料的力學性能：(a)拉伸強度 (b)拉伸彈性系數 (c)彎曲強度 (d)彎曲彈性模量 

機電響應實驗中，單調拉伸下Ni-CF/GFRP的電阻變化分為兩階段：彈性變形階段電阻變化平緩，超過轉折點后電阻急劇增大。1′Ni-CF/GFRP 的兩階段變靈敏系數分別為707.99 和 2274.89，2′Ni-CF/GFRP 則為 326.37 和 1051.31，前者預警靈敏度更高。循環拉伸試驗中，電阻變化與應力變化同步增減，峰值與谷值一致，僅存在輕微波動，驗證了傳感穩定性。

圖5 量規系數(GF)值的演變：(a)1‘Ni-Cf/GFRP (b)2’Ni-Cf/GFRP

3. 主要結論

1.界面性能方面，Ni-CF 表面浸潤劑與粗糙結構提升了與環氧樹脂的相容性，其界面剪切強度達31.06 MPa，顯著高于玻纖與基體的19.56 MPa，且嵌入Ni-CF 不會損害GFRP 的拉伸、彎曲等力學性能。

2.傳感性能上，單調拉伸時 Ni-CF/GFRP 的電阻變化呈現兩階段特征：彈性變形階段電阻平緩，超過轉折點后電阻急劇增大，循環加載試驗證實其電阻變化與應力變化高度同步，傳感穩定性可靠。

3.安全性能方面，1′Ni-CF/GFRP 與 2′Ni-CF/GFRP 的安全系數分別為1.34 和1.50。嵌入位置影響自診斷效果，1′型在預警階段靈敏度更高，適用于低失效風險結構；2′型安全系數更高，適配高安全要求場景。

原文文獻：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