激光制作的可重构PT对称传感器用于碳纤维增强塑料结构的无线健康监测

阻止隐藏裂缝发展成灾难

现代飞机、列车和氢能车辆依赖碳纤维增强塑料——这种轻质而坚韧的材料在承受巨大载荷时表现出色。但这些复合材料内部的微小不可见裂纹会随着时间扩展，尤其是在高压氢罐中，可能导致泄漏甚至突发失效。本文提出了一种用于此类结构的新型无线“神经系统”：一种直接嵌入碳纤维壁内的薄型传感器，可远程跟踪极微小的应变和压力变化，及时发现潜在问题。

为什么监测复合材料结构这么难

碳纤维复合材料由多层叠加、纤维取向各异的层构成，这赋予它们强度，但也让损伤难以被发现。早期问题——例如层间微裂或树脂中的显微裂纹——几乎不改变外形，却会削弱结构强度，并可能在氢罐中先于气体泄漏出现。传统监测手段如有线应变计、光纤或超声探头需要布线、直接接触或手动扫描。它们难以安装于曲面或埋藏部件，且在密封罐内维护不便。由此产生了在实际系统中难以实现持续监测的现实鸿沟。

把罐壁变成自己的传感器

作者通过将碳纤维壁的一部分转化为电子元件来应对这一挑战。他们用精确控制的激光先在复合材料上刻出一处浅腔，然后将暴露的碳表面由绝缘转为导电。这个导电补片成为一个微小电容器的下极板。一个具有高电响应性的柔性薄膜覆盖在腔体上，随后添加铜质上电极，所有部件连接到一个小螺旋线圈。此组合形成一个谐振电路，其固有频率会在电容极板间距变化时移动。由于罐体压力和壁体应变会细微改变该间距，结构的机械状态即可被编码为易于测量的频率变化。

与配对电路的智能无线读出

为了无需布线读取内嵌传感器，团队使用了一个位于近旁的读出线圈，通过磁耦合与嵌入的谐振电路相连。关键创新在于他们如何运用奇偶时间（PT）对称的原理来设计读出器–传感器对，这一物理概念在两个耦合系统间平衡能量增益与损耗。通过精心选择读出侧的电阻与电容，他们创造出一种工作态，在该态下两电路能高效交换能量，并使共有响应分裂为两个相近的谐振峰。传感器电容的微小变化（由极细微的应变引起）会放大为这两个峰的显著易测变化。重要的是，研究者可以重新配置读出器的元件，在不同工作态间切换，每种态针对特定应变范围或读取距离进行优化。

从计算模型到可用硬件

模拟显示线圈间距、电阻和电容如何影响无线链路强度以及分裂谐振的模式。实验验证了这些预测。在平板复合材料上，激光制作的电容器对弯曲响应强烈且可重复：随着板材受拉应变，电容增大，无线谐振频率近似线性地移动。通过切换读出器的初始状态，团队可以“放大”不同的应变窗口，在关键范围内提高灵敏度。在15毫米的读出距离下，他们实现了约23兆赫/百分比应变的频率灵敏度——足以记录非常微小的变形——并在多次加载循环中示范了稳定的实时跟踪。

观察氢气罐的“呼吸”

随后，研究者将传感器贴片附着到一根碳纤维氢气储罐圆柱上，并将读出线圈置于罐壁外侧。随着外力增加（模拟内部压力），罐壁发生微小应变。配对谐振在频率和幅值上以特征性模式移动：一个峰在频率上移动更多，另一个在幅度上变化更明显。两者合在一起为罐体状态提供了稳健的指纹，尽管绝对变形非常小。该系统在数兆帕的施加压力下仍能保持清晰信号，并在重复加载-卸载循环中保持稳定，表明其能够满足长期监测的需求。

这对更安全的基础设施意味着什么

用通俗的话说，这项工作将氢气罐或任何类似的碳纤维结构的壁面变成了自带的、可无线读取的测量仪。由于传感器为无源并由读出器的探测场供能，因此无需电池或电缆，减少了失效点。可重调的读出器能够强调特定应变范围或延长读取距离，使该方法可适配不同设计和风险等级。尽管关于长期耐久性、在全尺寸罐体中的集成以及在恶劣环境中的运行等问题仍需解决，这种将激光成形材料与智能电路设计相结合的方法，为氢能储存、航空航天、交通运输等领域的“自感知”复合结构提供了有希望的发展路径。

引用: Yue, W., Guo, Y., Zhang, Y. et al. Laser-fabricated reconfigurable PT-symmetric sensors for wireless health monitoring of CFRP structures. Microsyst Nanoeng 12, 116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01196-2

关键词: 无线结构健康监测, 碳纤维复合材料, 氢气储罐, 无源谐振传感器, 激光制作电极