本文献节选自《Encyclopedia of Sensors and Biosensors》第二卷的“Sensing materials: self-sensing materials”词条。作者为D. D. L. Chung，隶属于纽约州立大学布法罗分校机械与航空航天工程系的复合材料研究实验室。词条于2023年由Elsevier出版。

本文将聚焦于自感知结构材料，深入探讨其科学原理、实现方法以及相关考量，旨在为读者提供一个关于该领域的全面概述。自感知材料是能够感知自身状态（如应力、应变、温度和损伤）的工程材料（特别是结构材料），其感知能力源于材料的固有特性，无需任何嵌入或贴附的传感器。这种材料属于多功能或智能结构的范畴，在机器人等领域具有重要应用前景。

自感知材料的定义与优势

自感知是智能结构最基本的功能，类似于生物体的“感觉”。没有感知能力，结构就无法做出相应的反应。与使用嵌入或贴附传感器（如光纤、压电传感器、声学传感器和电阻应变片）的传统方法相比，自感知技术具有显著优势： 1. 低成本：自感知材料本身即传感器，无需采购和安装额外的专用传感器。 2. 高耐久性：材料本身就是结构的一部分，不易像贴附传感器那样在长期使用中脱落。 3. 大传感体积：感知能力分布在材料整体中，而非局限于离散的传感器点。 4. 无性能退化：无需嵌入传感器，避免了因嵌入异物（如光纤）而导致的结构机械性能（如强度、刚度）下降。

自感知结构材料的类型

自感知主要应用于结构材料，包括聚合物基复合材料（如连续碳纤维环氧树脂基复合材料，C/环氧树脂）、水泥基复合材料以及碳基复合材料（如碳-碳复合材料，C/C）。这些材料广泛应用于民用基础设施、交通运输、航空航天结构、生物医学植入体、风力涡轮机等领域。理想情况下，无需特殊添加剂的自感知复合材料更受青睐，因为这使得现有的、未预先设计感知功能的结构也具备自感知潜力。

自感知的科学基础

实现自感知功能，材料需要具备一种随待感知属性（如应变）而变化的、可方便测量的电学性质（如电阻）。关键在于，这种电学性质的变化必须是可逆的，以便能够重复感知可逆的属性（如弹性应变）。对于不可逆属性（如塑性变形、损伤），电学性质的不可逆变化本身即是一种有效的传感信号。自感知可以是实时的（实时监测），也可以是间断进行的，实时监测能够实现对结构状况的及时响应。

自感知的实现方法

自感知主要通过测量材料的电阻或电容变化来实现。 1. 电阻式自感知：这是目前最常见的形式，基于材料电阻随刺激（应力、应变、温度、损伤）而变化的原理。电阻变化可能源于两个因素：一是应变导致的材料几何尺寸变化（长度和截面积），二是应变导致材料本身的电阻率发生变化，后者称为压阻效应。压阻效应可以显著提高应变传感的灵敏度，其灵敏度用应变因子（gage factor）描述，即单位应变引起的电阻相对变化量。具有巨大压阻效应的材料，其应变因子可超过500。 2. 电容式自感知：对于具有介电特性的材料，可以通过测量电容变化来实现自感知。材料的电容与其介电常数相关。当应变或应力影响材料的极化特性时，其介电常数和电容也会相应改变，这种现象称为压电容效应。类似地，温度变化引起的介电常数变化称为热电容效应。

关键技术考量

1. 电极与接触电阻：电极本身不是传感器，但其质量至关重要。电极与材料表面之间的界面存在接触电阻，在电阻式测量中，接触电阻会干扰对材料本征电阻的准确测量。接触电阻与接触面积成反比，其质量由接触电阻率（接触电阻与接触面积的乘积）描述。为了排除接触电阻的影响，应使用四探针法（四个电极，外两个通电流，内两个测电压）进行测量，而不是两探针法。电极可以是永久安装的，也可以是临时施加的；可以置于材料表面，也可以嵌入材料内部。
2. 材料导电性要求：对于电阻式自感知，被检测材料必须具有一定导电性。例如，不含导电成分的聚合物和陶瓷通常不导电，因此不适合电阻式自感知（除非添加导电填料）。而碳纤维聚合物基复合材料本身即具备导电性，无需添加剂即可实现电阻式自感知。水泥基复合材料则因水泥基体的离子导电性复杂，通常需要掺入短切碳纤维等导电掺合料来增强其导电性和压阻效应的可重复性。
3. 极化效应：对于某些材料（特别是水泥基材料），在测量电阻时施加电流会引起内部离子移动等极化现象，导致测得的“表观电阻”高于材料的“真实电阻”。为了测量真实电阻，应尽量缩短电流施加时间，或采用电流换向法取平均值。
4. 传感维度：电阻测量可以是体积电阻、表面电阻或界面电阻。体积电阻最科学，但测量条件要求严格（电流密度均匀、截面定义明确）。表面电阻使用共面电极测量，电流穿透深度有限且不明确，虽科学性稍逊，但在实际大型结构中更便于实施。界面电阻（如连续纤维复合材料层合板层间界面的电阻）对界面微观结构变化极为敏感，可用于监测分层等损伤。
5. 电容测量的电极影响：在电容测量中，测得的电容是材料本征电容与两个电极界面电容的串联结果。为了准确获取材料的本征电容（从而得到介电常数），需要通过测量不同电极间距下的电容来解耦电极电容的影响。理想的电极应具有无限大的界面电容，从而不影响测量结果。对于导电性良好的材料（如碳纤维复合材料）进行电容测量时，需要在电极与材料表面之间放置一层绝缘薄膜（如双面胶带）。
6. 电阻/电容层析成像：通过在结构表面合理布置电极阵列，并测量不同电极对之间的电阻或电容，可以获得被感知信息（如损伤）的空间分布，实现一维、二维或三维的电阻层析成像或电容层析成像。这极大地扩展了自感知技术在结构健康监测中的应用范围。

应用与现象区分

1. 应变/应力感知：通过测量电阻（压阻性）或电容（压电容性）变化实现。需注意区分压电容性与压电性，后者是因应变/应力导致储存电荷量变化的现象。
2. 温度感知：通过测量电阻（热阻性）或电容（热电容性）变化实现。需注意区分热电容性与热电性，后者是温度变化导致储存电荷量变化的现象。
3. 损伤感知：基于损伤会影响材料电阻率或介电常数的原理，通过测量电阻或电容变化实现。

结论与价值

本文献系统性地阐述了自感知结构材料的核心概念、科学原理、方法学及关键技术细节。其重要意义在于： * 科学价值：厘清了自感知背后的压阻、压电容、热阻、热电容等物理现象，并明确了它们与压电、热电现象的区别。强调了可逆传感对于监测弹性变形等可逆过程的重要性，以及如何区分可逆与不可变变化。 * 技术价值：详细对比了电阻式与电容式自感知的适用条件、优缺点及实施要点，为不同材料体系（聚合物基、水泥基、碳基复合材料）选择感知方案提供了指导。深入探讨了电极技术、接触电阻排除、极化效应处理、多维传感（体积、表面、界面）和层析成像等实际问题，具有很高的工程参考价值。 * 应用价值：强调了无需特殊添加剂的自感知材料对于现有结构健康监测的巨大潜力，这可以显著降低监测成本、提高系统耐久性，并实现大范围的实时监测。为发展低成本、高可靠性、易于集成的智能结构和机器人感知皮肤指明了方向。

亮点

1. 全面性与系统性：词条内容涵盖了自感知材料从基本定义、科学原理到具体方法、技术挑战的完整知识链。
2. 强调实用性：不仅讲原理，更着重分析了实际应用中遇到的关键问题，如电极选择、接触电阻、测量方法（四探针 vs 两探针）、真实电阻获取等。
3. 区分与辨析：清晰区分了自感知与嵌入式传感、压阻与几何效应、压电容与压电、热电容与热电等易混淆的概念。
4. 前沿技术涵盖：介绍了电阻/电容层析成像这一先进的分布式传感技术，展现了自感知在空间分辨率上的发展前景。
5. 面向现有结构：特别指出并推崇无需添加剂的自感知方案，这极大地拓宽了该技术在已建成基础设施健康监测中的应用可能性，具有重要的现实意义。