復(fù)合材料以其輕量化、高強(qiáng)度、抗腐蝕的核心優(yōu)勢,已深度滲透航空航天、風(fēng)電能源、新能源汽車等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。從波音787機(jī)身50%的復(fù)合材料占比,到我國百米級風(fēng)電葉片的規(guī)?;瘧?yīng)用,復(fù)合材料正成為高端裝備升級的核心支撐。但復(fù)合材料損傷隱蔽性強(qiáng)、失效機(jī)制復(fù)雜,傳統(tǒng)人工檢測難以滿足實時安全管控需求,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)技術(shù)應(yīng)運而生。2022-2025年,隨著傳感技術(shù)、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合,SHM技術(shù)實現(xiàn)了從單點監(jiān)測到全域感知、從離線分析到實時預(yù)警的跨越式發(fā)展,為復(fù)合材料全生命周期安全管理提供了核心技術(shù)支撐。

一、引言:從被動檢測到智能防控的技術(shù)演進(jìn)
1.1 戰(zhàn)略意義與應(yīng)用背景
在航空航天領(lǐng)域,飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全直接關(guān)系到飛行安全與任務(wù)成敗;風(fēng)電行業(yè)中,百米級復(fù)合材料葉片長期暴露于強(qiáng)風(fēng)、雷暴等復(fù)雜環(huán)境,損傷風(fēng)險極高;新能源汽車領(lǐng)域,復(fù)合材料電池包、車身結(jié)構(gòu)的輕量化應(yīng)用,對實時安全監(jiān)測提出了嚴(yán)苛要求。SHM技術(shù)通過實時捕捉結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度等狀態(tài)信息,精準(zhǔn)識別損傷萌生與演化趨勢,不僅能避免重大安全事故,還能大幅降低維護(hù)成本,其技術(shù)成熟度已成為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)。
1.2 技術(shù)發(fā)展歷程
復(fù)合材料SHM技術(shù)的發(fā)展可分為三個關(guān)鍵階段:早期以人工目視檢測、超聲波探傷為主,檢測效率低、主觀性強(qiáng),難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部隱蔽損傷;中期進(jìn)入單一傳感器監(jiān)測階段,光纖、壓電等傳感技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了特定參數(shù)的連續(xù)采集,但存在監(jiān)測范圍有限、抗干擾能力弱等短板;2022年后,技術(shù)進(jìn)入智能監(jiān)測新階段,多傳感融合、人工智能算法與物聯(lián)網(wǎng)平臺的協(xié)同應(yīng)用,構(gòu)建起“感知-分析-決策-預(yù)警”全鏈路解決方案,實現(xiàn)了從被動響應(yīng)到主動預(yù)測的根本性轉(zhuǎn)變。
1.3 綜述范圍
本文聚焦2022-2025年SHM技術(shù)的最新進(jìn)展,重點闡述光纖傳感、壓電傳感、紅外熱成像等核心技術(shù)的原理創(chuàng)新與性能突破,分析多傳感器融合、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)在系統(tǒng)集成中的應(yīng)用實踐,結(jié)合航空航天、風(fēng)電、汽車等領(lǐng)域的典型案例驗證技術(shù)實效,探討當(dāng)前面臨的核心挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向,為行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與工程落地提供參考。
二、核心監(jiān)測技術(shù):原理創(chuàng)新與性能突破
2.1 光纖傳感技術(shù):高精度與廣覆蓋的雙重優(yōu)勢
光纖傳感技術(shù)憑借抗電磁干擾、耐極端環(huán)境、可埋入式安裝等特性,成為復(fù)合材料SHM的主流技術(shù)。光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)實現(xiàn)了με級的高精度應(yīng)變與溫度測量,在航空發(fā)動機(jī)葉片、航天飛行器承力結(jié)構(gòu)等高溫部件監(jiān)測中表現(xiàn)突出,能精準(zhǔn)捕捉微小應(yīng)變變化,提前預(yù)警疲勞損傷風(fēng)險。

分布式光纖傳感技術(shù)取得關(guān)鍵突破,基于瑞利散射、拉曼散射的監(jiān)測系統(tǒng),可實現(xiàn)數(shù)公里長距離連續(xù)監(jiān)測與損傷定位,定位精度提升至10cm以內(nèi),完美適配風(fēng)電葉片、橋梁等大型結(jié)構(gòu)的全域監(jiān)測需求。在應(yīng)用方式上,埋入式與表面粘貼式方案形成互補(bǔ):埋入式可直接監(jiān)測材料內(nèi)部狀態(tài),不影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,但對安裝工藝要求較高;表面粘貼式施工便捷、維護(hù)成本低,適用于既有結(jié)構(gòu)的升級改造,兩種方式的協(xié)同應(yīng)用成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)監(jiān)測的優(yōu)選方案。
2.2 壓電傳感技術(shù):柔性化與高效化的協(xié)同發(fā)展
壓電傳感技術(shù)通過壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,兼具傳感與驅(qū)動功能,在復(fù)合材料損傷監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。壓電陶瓷(PZT)傳感器實現(xiàn)了主動監(jiān)測與被動監(jiān)測的有機(jī)結(jié)合,主動模式下通過激發(fā)蘭姆波掃描結(jié)構(gòu)內(nèi)部,被動模式下捕捉損傷產(chǎn)生的應(yīng)力波信號,掃描速度較傳統(tǒng)方案提升50%,大幅提高了損傷檢測效率。
壓電薄膜傳感器的柔性化升級拓展了應(yīng)用場景,其厚度薄、柔韌性好,可緊密貼合復(fù)合材料復(fù)雜曲面,實現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測。在蘭姆波監(jiān)測技術(shù)方面,通過信號處理算法優(yōu)化,有效解決了多模式波干涉問題,顯著提升了內(nèi)部損傷識別的準(zhǔn)確性,尤其適用于層間剝離、纖維斷裂等典型損傷的檢測。
2.3 紅外熱成像技術(shù):智能化與抗干擾能力提升
紅外熱成像技術(shù)通過捕捉結(jié)構(gòu)熱場分布變化識別損傷,分為主動熱成像與被動熱成像兩類。主動熱成像技術(shù)優(yōu)化了熱激勵方式,采用脈沖、鎖相式熱激勵方案,結(jié)合高幀率紅外相機(jī)與信號處理算法,大幅提升了深層缺陷的檢測能力,可識別毫米級內(nèi)部脫粘損傷。
被動熱成像技術(shù)突破了環(huán)境溫度波動的限制,通過引入環(huán)境補(bǔ)償算法與自適應(yīng)閾值調(diào)整技術(shù),在復(fù)雜環(huán)境下仍能保持較高的損傷識別精度。更重要的是,紅外熱成像與機(jī)器學(xué)習(xí)算法的深度融合成效顯著,通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)對熱成像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與模式識別,缺陷識別準(zhǔn)確率提升至95%以上,有效降低了人工判讀的誤報率與漏報率。

2.4 其他創(chuàng)新監(jiān)測技術(shù)
聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)可實時捕捉復(fù)合材料損傷演化過程,通過監(jiān)測材料斷裂、分層時釋放的彈性波,精準(zhǔn)定位損傷位置并評估嚴(yán)重程度,在碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面失效監(jiān)測中,成功捕捉到纖維斷裂與基體開裂的特征信號。
微波/雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)憑借非接觸式優(yōu)勢,適用于惡劣環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)測,通過電磁波穿透與反射特性識別內(nèi)部缺陷,無需接觸結(jié)構(gòu)表面即可完成檢測。電阻應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)作為低成本方案,通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)與信號放大電路,在保證監(jiān)測精度的同時降低了系統(tǒng)成本,適用于汽車零部件等批量生產(chǎn)場景的健康監(jiān)測。
三、多技術(shù)融合:智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成創(chuàng)新
3.1 多傳感器融合技術(shù):優(yōu)勢互補(bǔ)提升可靠性
單一傳感技術(shù)難以全面覆蓋復(fù)合材料各類損傷類型,多傳感器融合成為技術(shù)發(fā)展必然趨勢。光纖-壓電傳感融合系統(tǒng)備受關(guān)注,F(xiàn)BG傳感器的高精度應(yīng)變測量與PZT傳感器的主動損傷探測形成優(yōu)勢互補(bǔ),通過優(yōu)化數(shù)據(jù)融合算法,有效解決了單一傳感器的監(jiān)測盲區(qū)問題,損傷定位誤差最低可控制在厘米級。
紅外-超聲監(jiān)測融合方案實現(xiàn)了不同損傷類型的全面檢測,紅外熱成像擅長識別大面積分層缺陷,超聲技術(shù)對局部裂紋檢測更敏感,兩者結(jié)合使損傷檢測覆蓋率提升30%以上。在數(shù)據(jù)融合算法方面,自適應(yīng)加權(quán)融合、貝葉斯估計等算法的應(yīng)用,實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的特征提取與信息互補(bǔ),顯著提升了復(fù)雜環(huán)境下的損傷識別可靠性。
3.2 人工智能:推動監(jiān)測向智能決策跨越
人工智能算法的深度應(yīng)用,讓SHM技術(shù)從數(shù)據(jù)采集邁向智能決策。機(jī)器學(xué)習(xí)算法(如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林)在損傷識別與分類中表現(xiàn)優(yōu)異,通過對傳感器數(shù)據(jù)的特征學(xué)習(xí),實現(xiàn)了裂紋、分層、脫粘等典型損傷的精準(zhǔn)分類,識別準(zhǔn)確率超過90%。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)了損傷演化預(yù)測的突破,基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)、時序卷積網(wǎng)絡(luò)(TCN)的模型,能從歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中挖掘損傷演化規(guī)律,剩余壽命預(yù)測準(zhǔn)確率超過85%。針對實際應(yīng)用中缺陷樣本稀缺的問題,遷移學(xué)習(xí)與生成對抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)發(fā)揮重要作用,遷移學(xué)習(xí)可將已有材料的監(jiān)測模型遷移至新型復(fù)合材料,縮短模型訓(xùn)練周期70%;GAN通過數(shù)據(jù)增強(qiáng)生成極端工況下的缺陷樣本,使模型對未知失效模式的識別準(zhǔn)確率大幅提升。
3.3 物聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)集成:實現(xiàn)全鏈路智能化
智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)了從傳感器到云平臺的全鏈路集成,邊緣 - 云端協(xié)同計算成為主流。邊緣層部署輕量級算法,對傳感器數(shù)據(jù)流進(jìn)行實時預(yù)處理,異常檢測延遲低于50ms,篩選出的可疑事件上傳至云端;云端利用強(qiáng)大計算資源進(jìn)行深度建模與數(shù)據(jù)分析,結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)虛擬模型,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真模型的實時聯(lián)動。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷優(yōu)化,低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計降低了系統(tǒng)能耗,延長了傳感器使用壽命,適用于長期無人值守的風(fēng)電塔架、海洋平臺等場景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)?;瘧?yīng)用,通過4G/5G、LoRa等通信技術(shù),將分布在不同位置的監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)匯總至管理平臺,管理人員可實時查看結(jié)構(gòu)健康狀態(tài),接收異常預(yù)警信息,實現(xiàn)遠(yuǎn)程運維管理。
四、工程應(yīng)用:從實驗室到產(chǎn)業(yè)落地的實踐驗證
4.1 航空航天領(lǐng)域:極端環(huán)境下的可靠監(jiān)測
在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)監(jiān)測中,分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)成功實現(xiàn)工程應(yīng)用,通過將FBG傳感器埋入機(jī)翼復(fù)合材料層合板,實時監(jiān)測飛行過程中的應(yīng)變分布,精準(zhǔn)識別機(jī)翼前緣、翼盒等關(guān)鍵部位的損傷風(fēng)險,使結(jié)構(gòu)維護(hù)頻率降低50%。航天飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測中,融合光纖與壓電傳感的系統(tǒng),在-150℃~600℃的極端溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定工作,為燃料貯箱、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件提供安全保障。

航空發(fā)動機(jī)葉片監(jiān)測取得技術(shù)突破,耐高溫FBG傳感器與紅外熱成像技術(shù)協(xié)同應(yīng)用,實時監(jiān)測葉片在高溫高壓環(huán)境下的應(yīng)變與溫度變化,提前預(yù)警疲勞裂紋萌生,使發(fā)動機(jī)維護(hù)成本降低30%以上。某航空航天復(fù)材部件產(chǎn)線應(yīng)用多模態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后,3個月內(nèi)自主發(fā)現(xiàn)4類新型界面失效模式,識別周期從傳統(tǒng)方法的3-6個月壓縮至7天。
4.2 風(fēng)電領(lǐng)域:復(fù)雜環(huán)境下的全域監(jiān)測

風(fēng)電葉片監(jiān)測中,分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了百米級葉片的全覆蓋監(jiān)測,傳感器沿葉片長度方向布置,實時捕捉風(fēng)載荷作用下的應(yīng)變變化與損傷定位,定位精度達(dá)10cm,有效降低了葉片斷裂風(fēng)險。風(fēng)電塔架監(jiān)測采用光纖 - 壓電多傳感器融合系統(tǒng),通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,在強(qiáng)風(fēng)、低溫等復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定運行,監(jiān)測系統(tǒng)故障率控制在0.5% 以內(nèi)。
海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)監(jiān)測重點解決了海洋環(huán)境腐蝕、濕度影響等問題,通過傳感器封裝技術(shù)優(yōu)化與抗干擾算法改進(jìn),提升了系統(tǒng)在高鹽霧、高濕度環(huán)境下的可靠性。某海上風(fēng)電場應(yīng)用智能監(jiān)測系統(tǒng)后,葉片維護(hù)次數(shù)減少40%,年維護(hù)成本降低超500萬元,顯著提升了風(fēng)電場運營效益。
4.3 汽車工業(yè):輕量化趨勢下的安全保障
新能源汽車電池包監(jiān)測中,復(fù)合材料殼體采用壓電薄膜傳感器與紅外熱成像協(xié)同監(jiān)測方案,實時監(jiān)測殼體應(yīng)變狀態(tài)與溫度分布,當(dāng)出現(xiàn)碰撞損傷或熱失控風(fēng)險時,及時觸發(fā)預(yù)警信號,保障電池包安全。某新能源汽車企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)后,電池包相關(guān)安全事故發(fā)生率降低60%。
汽車車身結(jié)構(gòu)監(jiān)測聚焦輕量化復(fù)合材料的損傷預(yù)警,通過表面粘貼式FBG傳感器與電阻應(yīng)變傳感器組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),捕捉車身在行駛過程中的應(yīng)變變化,識別碰撞后的隱性損傷,為車輛維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。智能座艙領(lǐng)域,多功能復(fù)合材料集成傳感技術(shù)實現(xiàn)了狀態(tài)感知與環(huán)境監(jiān)測一體化,提升了座艙舒適性與安全性。

4.4 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域:長期服役性能評估
復(fù)合材料橋梁監(jiān)測中,分布式光纖傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了橋梁主體結(jié)構(gòu)的長期服役性能評估,通過多年連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析結(jié)構(gòu)應(yīng)變演化規(guī)律,預(yù)測剩余服役壽命,為橋梁維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。某復(fù)合材料人行橋應(yīng)用該技術(shù)后,成功預(yù)警了支座脫粘損傷,避免了結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險。
海洋平臺監(jiān)測針對復(fù)雜海洋環(huán)境,采用多傳感器融合系統(tǒng),集成光纖傳感、聲發(fā)射監(jiān)測與微波雷達(dá)技術(shù),實現(xiàn)了平臺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)測,有效識別腐蝕、疲勞損傷等問題。建筑復(fù)合材料監(jiān)測中,SHM技術(shù)用于抗震性能評估與預(yù)警,通過實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng),為建筑安全提供保障。
五、挑戰(zhàn)與展望:技術(shù)創(chuàng)新的未來方向
5.1 當(dāng)前核心技術(shù)挑戰(zhàn)
監(jiān)測精度方面,微小損傷的早期檢測仍是關(guān)鍵難題,需要將檢測靈敏度提升至0.1%應(yīng)變水平,才能有效捕捉內(nèi)部早期分層、微裂紋等缺陷。系統(tǒng)可靠性方面,長期服役條件下的穩(wěn)定性有待提升,在高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境下,傳感器壽命與信號穩(wěn)定性面臨考驗,需將系統(tǒng)故障率降低至0.1%以內(nèi)。
成本控制是制約SHM技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的重要因素,高性能傳感器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的成本較高,尤其在風(fēng)電、汽車等批量生產(chǎn)領(lǐng)域,成本優(yōu)化成為技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵。此外,不同類型復(fù)合材料的損傷機(jī)制差異較大,監(jiān)測模型的通用性不足,也增加了技術(shù)推廣難度。
5.2 創(chuàng)新發(fā)展方向

自供電傳感技術(shù)成為重要研發(fā)熱點,通過集成太陽能、振動能量收集與存儲系統(tǒng),實現(xiàn)傳感器自主供電,降低對外部電源的依賴,延長系統(tǒng)使用壽命。某研究團(tuán)隊開發(fā)的壓電式自供電傳感器,已實現(xiàn)10mW功率輸出,滿足小型監(jiān)測節(jié)點的能耗需求。
多功能傳感材料實現(xiàn)了傳感與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計,將傳感功能融入復(fù)合材料本身,無需額外安裝傳感器,既保證了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,又降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。例如,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料集成傳感功能,可同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載與損傷監(jiān)測,在航空航天結(jié)構(gòu)中具有廣闊應(yīng)用前景。
智能預(yù)警系統(tǒng)向大數(shù)據(jù)驅(qū)動的剩余壽命預(yù)測方向發(fā)展,通過融合監(jiān)測數(shù)據(jù)、材料性能數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等多源信息,構(gòu)建更精準(zhǔn)的壽命預(yù)測模型,實現(xiàn)從“損傷報警”到“失效預(yù)測”的跨越。聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用將解決數(shù)據(jù)隱私與樣本稀缺問題,通過跨企業(yè)、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)共享,提升模型泛化能力。
5.3 應(yīng)用拓展前景
醫(yī)療健康領(lǐng)域,生物醫(yī)用復(fù)合材料的實時監(jiān)測成為新方向,可用于人工骨骼、心血管支架等植入式器件的狀態(tài)監(jiān)測,實時反饋器件服役狀態(tài)與人體組織相容性,為醫(yī)療診斷提供數(shù)據(jù)支撐。智能穿戴領(lǐng)域,柔性復(fù)合材料集成傳感技術(shù)實現(xiàn)了生理信號監(jiān)測與運動狀態(tài)感知一體化,開發(fā)出具有健康監(jiān)測功能的智能服裝、手環(huán)等產(chǎn)品。
智能制造領(lǐng)域,SHM技術(shù)向復(fù)合材料加工過程延伸,通過實時監(jiān)測成型過程中的溫度、壓力、應(yīng)變等參數(shù),優(yōu)化加工工藝參數(shù),將缺陷抑制在萌芽階段。實踐表明,加工過程監(jiān)測可使復(fù)合材料缺陷率從1.5%降至0.3%,大幅降低返工成本。
六、結(jié)論
2022-2025年,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)取得顯著進(jìn)展,光纖傳感、壓電傳感、紅外熱成像等核心技術(shù)不斷突破,實現(xiàn)了監(jiān)測精度、效率與可靠性的全面提升。多傳感器融合、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度集成,構(gòu)建了“傳感-診斷-預(yù)警”一體化技術(shù)體系,推動SHM技術(shù)從實驗室研究走向工程化應(yīng)用。

在航空航天、風(fēng)電、汽車、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域,一系列典型應(yīng)用案例驗證了技術(shù)的實用價值,有效保障了重大裝備的安全服役,降低了維護(hù)成本。當(dāng)前,監(jiān)測精度提升、系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)與成本控制仍是核心挑戰(zhàn),未來需通過自供電傳感、多功能傳感材料、智能預(yù)警系統(tǒng)等技術(shù)創(chuàng)新,推動SHM技術(shù)向更高精度、更可靠、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。
多學(xué)科融合是SHM技術(shù)的核心發(fā)展趨勢,材料科學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的交叉創(chuàng)新,將持續(xù)拓展技術(shù)應(yīng)用邊界。隨著技術(shù)不斷成熟,SHM技術(shù)將在醫(yī)療健康、智能穿戴、智能制造等新興領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用,為復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,助力相關(guān)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。