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复合压力容器（CPV）在航空航天、汽车和海军等行业中广泛应用于高压气体或液体存储。由于承受临界载荷、极端温度和爆炸等恶劣条件，对复合压力容器结构完整性的实时在线监测至关重要。丝束缠绕（FW）技术是目前制造 复合压力容器最成熟和最有前景的技术，它允许在制造过程中集成传感器，从而实现结构健康监测。近年来，研究人员对复合压力容器的结构健康监测技术进行了广泛的研究，探索了多种传感器类型和集成方法。然而，现有的研究主要集中在特定类型的复合压力容器和特定的传感器类型上，缺乏对传感器集成到复合压力容器中的全面概述，以及对传感器对复合材料机械性能影响的分析。  图 1 复合压力容器制造中丝束缠绕工艺的示意图  图 2 丝束缠绕的类型：(a) 环向；(b) 极向；(c) 螺旋 近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由法国里尔大学研究团队完成的有关复合压力容器结构健康监测传感器集成的综述。该文章综述了复合材料压力容器中传感器集成技术及其对结构完整性的影响，并探讨了优化传感器集成方法的重要性，以最大限度地减少对复合压力容器结构完整性的影响并提高其耐用性，从而提高复合压力容器的安全性和可靠性。论文标题为“Sensors integration for structural health monitoring in composite pressure vessels: A review”。  
压电传感器利用压电效应，在受到机械应力时产生电荷，从而感知结构中的应变和变形。它们具有高机械强度和低成本的优点，可以安装在容器外表面或嵌入复合材料层之间，以实现高灵敏度的监测。然而，压电传感器对静态条件下的灵敏度较低，且对高温敏感。此外，它们的形状比光纤传感器更复杂，需要长而重的电缆连接，可能会对结构性能产生负面影响。 SMART Layer 是一种新型的压电传感器，可以集成到复合材料层之间，具有较小的厚度、良好的柔性和耐久性，并且可以承受高达 200°C 的高温。  图 3 五种不同类型的工业压力容器  图 4 3D SMART 层在复合压力容器结构上的成型示意图 2.压阻式 压阻传感器基于压阻效应，在受到机械应变或应力时电阻发生变化，从而感知结构中的应变和变形。它们通常由碳纳米管 (CNT) 或石墨烯纳米片 (GnPs) 等纳米碳材料制成，并分散在非导电的聚合物基体中形成导电网络。 BP 和 MXene 是两种常用的压阻传感器。BP 传感器具有高可靠性、灵敏度和抗冲击性，而 MXene 传感器具有更高的导电性和对低能冲击的极高灵敏度。压阻传感器可以集成到复合材料层之间或安装在界面层中，但它们的嵌入可能会在传感器周围形成树脂富集区域，导致应力集中和层间损坏。  图 5 在柔性印刷电路板上制作的 MXene 传感器细节 3.光纤传感器 光纤传感器通过监测光纤的光学特性（例如波长、强度和偏振）来感知结构中的应变和温度变化，从而检测损坏。它们具有许多优点，例如易于与复合材料集成、尺寸小、重量轻、灵敏度高、可长期监测、耐用、抗电磁干扰以及允许在同一光纤中复用多个传感器。 根据工作原理，光纤传感器可以分为干涉型 (SOFO)、基于 OBR 技术的分布式光纤传感器和光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器。SOFO传感器可以进行单点检测，但难以复用；OBR 传感器可以进行连续测量，但成本较高；FBG 传感器可以进行局部测量，且具有复用功能，是复合压力容器监测中最常用的光纤传感器。  图 6 SOFO 干涉传感器系统的设置和组件
使用压电传感器进行复合压力容器健康监测重点关注嵌入或安装在容器外部的传感器。这些传感器主要用于监测循环压力载荷或冲击测试期间的应变和损坏。 研究探索了不同的方法来检测和定位损坏，例如使用 SMART Layer PZT 网络传感器和 FBG 光纤传感器。然而，需要进一步的研究来解决实际挑战，以确保这些传感器系统在实际条件下的可靠性。 2.压阻式 使用压阻传感器进行复合压力容器健康监测重点关注嵌入复合材料层之间或安装在衬里-复合材料界面的传感器。这些传感器主要用于检测容器爆裂、热和机械应变监测、损坏检测和定位。 研究探索了不同的传感器类型，例如 MWCNT、MXene 和 BP 传感器，并比较了它们的性能。研究结果表明，BP 传感器比 MXene 传感器更敏感于微裂纹的起始和传播，而 MXene 传感器则更敏感于低能量冲击和铝衬里的压缩残余应变或塑性变形。然而，需要进一步的研究来解决技术挑战，以监测其他类型复合压力容器的损坏。 3.光纤 使用光纤传感器进行复合压力容器健康监测重点关注嵌入或安装在容器外部的传感器。这些传感器主要用于监测制造和运营期间的应变、温度、压力状态和工艺控制参数。 研究探讨了不同类型的光纤传感器，例如 SOFO 干涉仪、基于 OBR 技术的分布式光纤和 FBG 传感器。SOFO 传感器由于其单点检测和脆弱性而应用有限。OBR 传感器因其能够沿光纤长度进行连续应变测量和检测损坏而受到青睐。FBG 传感器因其多路复用功能和对损坏或应变变化的高灵敏度而广泛使用。然而，需要进一步的研究来解决技术挑战，例如光纤传感器的耐久性问题。
研究指出，无论采用何种集成方法，将传感器插入复合材料都会导致层间出现间隙，形成树脂富集区。这会导致应力集中，并可能引发分层和材料强度下降。数值分析表明，传感器角落附近会出现应力集中，可能导致树脂裂纹。为了最大限度地减少对材料性能的负面影响，需要采用柔性嵌入技术、自适应界面、低剖面传感器设计和集成应变缓解机制。  图 7 嵌入压电传感器的 [0/90]s 拉伸试样的微观图：(a) 制造后；(b) 最终失效后 2.压阻式 压阻传感器（如 BP 和 MXene）嵌入复合材料中会导致树脂富集区的形成，从而降低复合材料的拉伸强度，并可能导致分层。传感器形状、厚度、相邻层取向和层数都会影响树脂富集区的尺寸。柔性薄膜传感器对材料性能的影响较小，而固体薄膜传感器则会显著降低拉伸和弯曲强度。 3.光纤 光纤传感器（如 FBG 和 OBR）嵌入复合材料中，当光纤与增强纤维方向平行时，对材料性能的影响最小，因为光纤可以支撑部分载荷。然而，当光纤与增强纤维方向垂直时，会导致树脂富集区形成，降低材料的弹性模量和强度，并可能导致分层。光纤直径和复合材料层间角度也会影响树脂富集区的尺寸。使用较小直径的光纤和将光纤与增强纤维方向平行放置可以最大限度地减少树脂富集区的尺寸。  图 8 光纤在单向复合材料中嵌入的微观图像(a) 光纤与 CFRP 平行 ;(b) 光纤与 UD 复合材料方向垂直 4.传感器集成的力学特性 在复合材料中集成压电、压阻和光纤传感器时需要考虑力学特性，需要仔细选择传感器尺寸、集成方法和精确的位置，以最大限度地减少缺陷并保持结构完整性。压电传感器需要小心放置，以避免在传感器角落附近产生应力集中，从而影响复合材料结构的完整性。压阻传感器需要采用可靠的集成技术，以保持复合材料材料的力学性能。光纤传感器需要沿着增强纤维路径嵌入，以确保传感器与结构纤维对齐，并提供精确的监测数据，同时不会增加额外的重量或产生应力点。  图 9 层压板中嵌入物的示意图(a) 树脂富集区示意图;(b) 嵌入物与层板方向之间的角度变化对树脂富集区相对长度的变化 1. 传感器 文中对用于复合压力容器监测的传感器的最新技术进行了概述，包括光纤传感器（FBG、OBR 和 SOFO）、压电传感器（PZT 和 PVDF）和压阻传感器（BP 和 MXene）。总结了这些传感器的主要特征，例如规格、监测参数、机械影响、优缺点以及它们在 复合压力容器应用中的使用程度。 2.讨论与展望 文中讨论了设计复合压力容器结构健康监测系统时需要考虑的几个关键因素。需要选择合适的传感器类型、数量、位置和尺寸，以实现精确的监测、减少材料降解风险并保护传感器免受外部环境影响。文中还讨论了利用人工智能和机器学习技术进行预测性维护和实时监测的潜力，以及这些技术的挑战。最后，文中强调了传感器在复合材料结构中的应用潜力，以及未来研究应重点关注优化传感器集成方法和提高传感器耐久性的重要性。 |
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