Wang D Y, Yao R W, Zong X W, et al. Piezoresistive intrinsic sensing methods for structural health monitoring of composites[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2025:117122.
Wang, Deyi, et al. "Piezoresistive intrinsic sensing methods for structural health monitoring of composites." Sensors and Actuators A: Physical (2025): 117122.
Wang, D., Yao, R., Zong, X., Wong, T. Y., Cui, Z., Zou, F., Xiang, Y., & Shi, J. (2025). Piezoresistive intrinsic sensing methods for structural health monitoring of composites. Sensors and Actuators A: Physical, 117122.
背景简介
随着先进复合材料在关键工程领域的广泛应用，发展高效的结构健康监测 (SHM) 技术以保障其全生命周期安全已成为一项重大挑战。基于导电复合材料的压阻式本征传感技术 (Piezoresistive intrinsic sensing) 因其独特的自感知特性而备受关注。该方法通过在绝缘基体（如聚合物等）中掺杂导电填料（如碳纳米管等）构建导电网络，利用材料受机械刺激或损伤时引起的电阻率变化来反演结构状态。这种无传感器的监测范式具有轻量化、高集成度的优势。将该技术从实验室推向实际工业应用的核心挑战在于如何从电学信号中准确提取损伤特征，并建立电学参数与真实物理损伤之间可靠的定量或半定量关系，从而为结构安全监测提供明确的评价判据。为此，本文从学术研究和产业应用两个视角出发，系统对比分析了目前压阻式本征传感技术的研究进展，并分析了当前学术研究和产业应用的侧重点及其之间的关键鸿沟。进一步重点围绕建立“电学特征-结构损伤”定量关系这一核心主题展开系统性总结和论述，旨在为推动压阻式SHM技术从实验室走向工业应用提供有益的参考与思路。
成果介绍
（1）明确学术界与工业界的发展现状与差异。本研究首先对6000余篇学术论文和1000项核心专利进行统计分析，量化了压阻式SHM领域中学术研究与工业应用的发展现状与关键差异。在导电填料方面：在学术界和工业界，碳纳米管、石墨烯、碳纤维和炭黑是四种研究频次最多的材料，总和均占比80%以上，学术界倾向于探索纳米材料（如CNT、石墨烯）以追求高灵敏度；而工业界更青睐工艺成熟、成本可控的微米级填料（如CF）。复合材料基体：水泥基材料在学术研究和专利数量上均占据主导地位（专利占比 88.3%）。这种优势与建筑行业对需要耐久性和环境适应性的压阻材料的需求相一致。在热固性和热塑性基体的研究中，明显的差异在于学术研究探索的种类更多。在关注的性能指标方面，学术研究高度关注灵敏度（40.3%），而工业专利则优先考虑测量量程（44.7%）。在监测对象方面，学术界和工业界最关心的监测对象均是裂纹和冲击，总和均接近60%。
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图1 压阻式结构健康监测领域中关于导电填料与基体的研究状况
（2）构建“电-损伤”关联的三步实施路径。为了弥补学术研究与工业应用之间的差异，本文的核心成果是提炼并构建了一个建立电学特征-结构损伤定量关系的三步系统性框架。
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图2 建立电学特性与结构损伤关联关系的三个主要步骤
1）精确的电学参数测量：获取精确信号是监测的前提。文章总结了电阻和阻抗测量的核心策略。电阻测量需克服接触电阻（常用四电极法）和极化效应（可用交流或脉冲抑制）。阻抗谱测量则需校正高频段的杂散阻抗，并用K-K变换验证数据可靠性。此外，文章强调了信号质量、稳定性（如温湿度/老化干扰）和电极接口的实用重要性。
2）准确的损伤特征提取：通过信号提取来建立电学特征与结构损伤之间可靠的定性关系是压阻式SHM的核心。本文系统的归纳了基于电阻和基于阻抗的方法。基于电阻的方法主要包括①电阻相对变化率 (FCR)，最主流的方法，用于表征裂纹萌生、多阶段损伤演化及冲击事件；②电阻突变/导数分析，利用信号的突变峰值或一阶导数峰值来识别裂纹的瞬时起裂；③机器学习算法 (如PCA)，通过复杂信号处理对不同损伤模式（如基体或纤维断裂）进行聚类和识别；④电阻抗断层成像 (EIT)，从电极阵列中提取电学特征实现损伤位置和形态的重构。
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图3 基于电阻的特征提取方法
基于阻抗的方法主要包括①等效电路法，通过拟合阻抗谱将损伤解耦为电路元件的变化，不仅提供更丰富的多维损伤信息，同时也能阐明结构损伤与电学特征之间的物理意义；②阻抗谱分离，通过分析不同频率下的阻抗变化（EZV）或统计指标表征渐进式损伤过程。目前基于阻抗的方法更多用于水泥基复合材料中，在聚合物材料中的研究是有待开拓的方向.
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图4 基于阻抗的特征提取方法
3）可靠的第三方交叉验证：文章强调，必须通过第三方技术来校准电信号与物理损伤的真实对应关系。本研究总结了三种最有效的原位验证技术：①声发射 (AE)通过捕捉裂纹释放的弹性波，可与电阻突变信号进行高精度时间同步，共同验证动态损伤事件（如纤维或基体开裂）；②X射线计算机断层扫描 (CT)通过三维可视化方式为电阻曲线的拐点提供内部微裂纹的直接证据；③数字图像相关法 (DIC)通过追踪表面应变场，可高精度验证表面裂纹扩展与电阻变化的关联，适用于验证水泥基材料或复合材料表面裂纹导致的电阻变化。
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图5 用于建立电学特征与结构损伤定量关系的第三方验证手段
致谢
该研究工作得到了国家自然科学基金（批准号：52175150、52305427）、中国博士后科学基金（批准号：2023M733035）和浙江省自然科学基金（批准号：2023M733035）的支持。本文第一作者：王德易（浙江大学），本文通讯作者：姚日雾博士后（浙江大学）和施建峰教授（浙江大学）。研究工作得到香港理工大学邹芳鑫副教授和苏州大学崔泽群副教授等共同作者的联合指导。
本期小编 王德易 姚日雾（整理）
周子尧（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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