玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能（如高強(qiáng)度、高剛度重量比、成本效益和設(shè)計(jì)靈活性）而在航空航天、風(fēng)能和汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]、[2]、[3]、[4]。盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，但它們對(duì)沖擊損傷（尤其是低速?zèng)_擊）的敏感性是一個(gè)主要限制。由于GFRP的各向異性和異質(zhì)性結(jié)構(gòu)，加上復(fù)雜多變的服務(wù)環(huán)境，沖擊事件可能在不同尺度和方向上引發(fā)多種相互作用的損傷模式[5]、[6]。低速?zèng)_擊通常會(huì)產(chǎn)生幾乎看不見的內(nèi)部損傷（BVID），這些損傷難以被察覺，從而導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度的顯著下降，從而影響長期的結(jié)構(gòu)可靠性。低速?zèng)_擊下的主要損傷機(jī)制包括纖維斷裂、基體開裂、界面脫粘和層間分層。這些損傷可能發(fā)生在制造階段或使用過程中，并逐漸相互作用，加速結(jié)構(gòu)退化并縮短使用壽命[7]、[8]。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）已成為確保GFRP結(jié)構(gòu)完整性連續(xù)或按需評(píng)估的關(guān)鍵方法[9]、[10]、[11]。傳統(tǒng)的SHM方法包括利用聲發(fā)射檢測裂紋生長、引導(dǎo)超聲波檢測分層和沖擊、以及使用布拉格光柵和分布式光纖等光纖傳感器進(jìn)行嵌入式應(yīng)變和溫度監(jiān)測。最近，碳納米管薄膜、導(dǎo)電聚合物和納米復(fù)合材料被用于構(gòu)建輕質(zhì)、靈活的多功能傳感網(wǎng)絡(luò)。在復(fù)合材料表面或內(nèi)部部署傳感器網(wǎng)絡(luò)可以收集結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷條件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而及時(shí)進(jìn)行干預(yù)以確保安全運(yùn)行[12]、[13]。雖然表面安裝的傳感器易于部署，但其性能常受環(huán)境因素影響；而將傳感器嵌入復(fù)合材料中則能更好地保護(hù)傳感器，提供更高的信噪比和穩(wěn)定性[14]。已經(jīng)開發(fā)了多種與復(fù)合材料兼容的傳感器，如鋯鈦酸鉛（PZT）壓電傳感器[15]、[16]、[17]、光纖傳感器[18]、[19]、[20]和金屬應(yīng)變計(jì)[21]。然而，這些傳統(tǒng)剛性傳感器的脆性、樹脂兼容性差以及剛度不匹配可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中、分層并降低機(jī)械性能。

柔性薄膜傳感器是一個(gè)有吸引力的選擇，因?yàn)樗鼈兊臉O薄厚度和固有的柔順性可以減少對(duì)結(jié)構(gòu)的侵入并提高集成度[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。采用嵌入式柔性傳感器進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測[27]、[28]、[29]和損傷監(jiān)測[31]、[32]、[33]的SHM方法受到了廣泛關(guān)注。大量研究集中在復(fù)合材料層壓板內(nèi)的損傷定位上。例如，Yao等人[34]提出了一種結(jié)合嵌入式電容傳感器陣列和加載反演方法的加載定位策略，能夠檢測施加載荷的坐標(biāo)和大小。Tuna[35]將碳納米管（CNT）摻入聚合物中，制備出帶有嵌入式電極的CNT/GFRP面板，從而預(yù)測損傷位置和大小。Chen等人[36]開發(fā)了一種正交排列的激光誘導(dǎo)石墨烯傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法識(shí)別損傷位置和大小，準(zhǔn)確率達(dá)到94.3%。然而，大多數(shù)方法仍局限于二維定位。實(shí)際上，由于層間應(yīng)力，GFRP中的損傷往往會(huì)沿厚度方向發(fā)展，導(dǎo)致分層、基體開裂和BVID，這嚴(yán)重削弱了承載能力。由于傳感和信號(hào)處理的限制，檢測這種貫穿厚度的損傷仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，開發(fā)能夠同時(shí)捕捉平面和貫穿厚度損傷信息的SHM方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料系統(tǒng)的全面三維結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估至關(guān)重要。

在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種三維空間損傷監(jiān)測和檢測方法，通過將壓阻薄膜傳感器（PFS）陣列與三維空間損傷定位算法結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)。柔性PFS采用CNT/氧化銦錫/聚二甲基硅氧烷（CNT/ITO/PDMS）復(fù)合材料的夾層結(jié)構(gòu)，其性能在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三點(diǎn)彎曲測試中得到了驗(yàn)證，對(duì)基材復(fù)合材料的機(jī)械性能影響很小。受蜘蛛網(wǎng)分層設(shè)計(jì)和稀疏3D陣列的啟發(fā)，我們?cè)趯訅喊逯袠?gòu)建了3D PFS陣列，以實(shí)現(xiàn)空間分辨的損傷檢測。通過歸一化、擴(kuò)展和處理電阻變化，系統(tǒng)生成了精確的空間損傷圖。這種集成方法能夠識(shí)別損傷的平面位置和深度坐標(biāo)，展示了真正的三維定位能力。該方法為在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中嵌入智能傳感網(wǎng)絡(luò)提供了可擴(kuò)展的途徑，推動(dòng)了能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、高保真損傷監(jiān)測的多功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

PFS的靈敏度取決于CNT/ITO/PDMS復(fù)合材料的固有導(dǎo)電性和敏感核心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2a）。復(fù)合材料由一維CNT和零維ITO組成，它們協(xié)同形成一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，如圖1c所示。CNT/ITO/PDMS薄膜的SEM圖像（圖1b）顯示出一個(gè)均勻的、相互連接的骨架，其中一些孔洞是由于制造過程中去除NaCl而形成的。使用薄而柔性的

本研究開發(fā)了一種用于GFRP復(fù)合材料的三維空間損傷監(jiān)測方法，該方法將柔性可拉伸的PFS陣列與概率定位算法相結(jié)合。PFS傳感器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)確保了優(yōu)異的界面粘接性和對(duì)基材GFRP的最小機(jī)械影響，使其能夠作為高靈敏度的分布式陣列發(fā)揮作用。該方法有效捕獲了沖擊引起的損傷的位置、深度和范圍

楊露露：撰寫——原始草稿、方法論、數(shù)據(jù)整理、概念化。王子茹：軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)整理、概念化。胡文龍：數(shù)據(jù)收集。張夢(mèng)涵：數(shù)據(jù)收集。杜along：數(shù)據(jù)收集。軒福珍：方法論、資金獲取、概念化。倉宇：撰寫——審稿與編輯、項(xiàng)目管理、方法論、數(shù)據(jù)獲取、概念化。楊斌：撰寫——審稿與編輯、項(xiàng)目

作者聲明他們沒有已知的可能會(huì)影響本文工作的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。

本研究得到了上海市集成電路基礎(chǔ)研究重點(diǎn)計(jì)劃（25JD1403700）、國家自然科學(xué)基金（12222206、12572160）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFF0505200）、上海人才發(fā)展計(jì)劃（22QA1409500）的支持。作者感謝中國上海同濟(jì)大學(xué)航空航天工程與應(yīng)用力學(xué)學(xué)院的徐馬，以及土木工程學(xué)院的云婉和王立夫。