智能复合材料有望在监测结构健康的同时加强结构部件。现在，研究人员创造了一种新的复合材料，它可以作为自供电传感器，在没有外部电源的情况下检测应力和损伤。

这种新型复合材料是由日本东北大学、切斯特大学和英国阿斯顿大学的研究小组开发的，它将碳纤维增强聚合物(CFPR)与铌酸钠钾纳米颗粒填充的环氧树脂(KNN-EP)结合在一起。这些材料共同提供了改进的机械性能和压电性能，能够将弯曲应力产生的机械能转换为电信号，可以用作结构损伤检测的力传感器。

“复合材料通常需要在机械强度和其他功能特性之间取得平衡，”日本东北大学的文雄成田解释说，他是这项研究的负责人。“(我们)试图创造一种复合材料，既不损害KNN-EP的压电性能，又能通过CFRP提高其机械强度。”

研究小组发现，30 vol.%的KNN含量提供了最有利的机械和压电性能组合。与CFPR电极结合，复合材料的输出电压比单独的压电材料高600%。至关重要的是，电压信号中的不同模式表示不同的裂纹扩展模式和方向，因此该复合材料可用于检测材料内部的应力和损伤。

“材料科学需要更好地了解不同材料对损伤的反应，特别是在裂纹扩展方面，”成田指出。“了解不同的信号模式如何对应不同类型的损伤，可以为提高材料的抗损伤性和耐久性提供重要的见解。”

监测CFRP/KNN-EP复合材料产生的电信号可以实时跟踪结构健康状况并预测即将发生的故障。这种复合材料可以集成到建筑物、桥梁或其他结构基础设施中，既可以修复又可以加固构件，还可以提供需要修复的早期预警。

“CFRP在航空航天和汽车应用中也至关重要，”成田说，“(所以我们的)无铅压电复合材料与CFRP的组合策略……可以早期检测飞机机身、航天器结构或汽车车身等应用的结构损伤。”

尽管CFRP/KNN-EP的生产和集成成本很高，但这种复合材料也可以作为能量收集器成为物联网的重要组成部分。

作者：科迪莉亚·西利

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