本研究由西安交通大学微纳技术研究中心、西交-米兰理工联合设计与创新学院、未来技术学院及电子科学与工程学院的王伊杰、惠耀祖、陈小明、赵东元、程思怡、朱瑞尧、孙乐毅、崔一涵、孙鹏松、高彦杰和张杰等研究人员共同完成。通讯作者为陈小明博士与张杰博士。该研究成果于2025年1月2日在线发表于Elsevier出版的《Composites Part B》期刊第293卷，文章编号为112111。

本项研究属于功能复合材料与结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）领域。玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber-Reinforced Polymers, GFRPs）因其轻质高强的特性，在航空航天、汽车及风能等领域应用广泛，但其固有的层间性能薄弱问题，使其在承受弯曲载荷时容易发生分层等难以预见的失效。传统的监测技术多集中于拉伸断裂，而实际构件往往承受复杂的弯曲应力。此外，现有的无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）方法不适用于长期实时监测，而结构健康监测技术中，嵌入式柔性薄膜传感器虽然能提供内部应变的实时数据，但传统固体薄膜传感器会引入应力集中、影响树脂渗透，进而损害复合材料本身的力学性能。为解决这些问题，该研究旨在开发一种新型的、能够适应大弯曲变形并对复合材料力学性能无侵入性影响的嵌入式双向应变传感器，以实现对GFRPs弯曲损伤的原位（in-situ）精准监测。

该研究的核心工作流程围绕新型多孔压阻薄膜传感器（Perforated Piezoresistive Film Sensor, PPFS）的设计、制备、性能表征及在GFRP中的嵌入式应用验证展开。研究首先进行了传感器的材料合成与器件制备。研究人员采用一维（1D）碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）和二维（2D）MXene纳米片作为混合导电敏感材料。他们通过原位生成氢氟酸（HF）刻蚀Ti₃AlC₂的方法制备了Ti₃C₂Tx MXene纳米片，然后将其与多壁碳纳米管（MWCNT）水溶液按特定比例混合并磁力搅拌，得到混合导电溶液。利用模板牺牲法、机械刮涂和光刻工艺，将混合溶液刮涂到弯曲网格结构模具中，并添加聚乙烯醇（PVA）水溶液以增强力学强度，最终固化得到具有椭圆形网格结构的PPFS-MX/CNT传感器。为进行对比，研究还制备了纯CNTs（PPFS-CNT）和纯MXene（PPFS-MX）的网格薄膜传感器，以及基于单一溶液的正方形网格薄膜传感器。在材料表征方面，研究使用了场发射扫描电子显微镜（SEM）观察PPFS的微观形貌及内部“三明治”交错结构，利用能谱仪（EDS）分析了碳和钛元素的分布。通过拉曼光谱（Raman）和X射线衍射（XRD）确认了复合材料的杂化组成和层间距变化，利用X射线光电子能谱（XPS）验证了其他学键合状态。这些表征共同证实了MXene作为“间隔物”成功插入CNTs网络，形成了结构稳定的杂化材料。在传感性能测试环节，PPFS被封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中以排除外界信号干扰，并在万能试验机上进行弯曲测试，得到0%至90%曲率范围内的电阻变化率。研究通过计算测量因子（Gauge Factor, ζ）来量化灵敏度，并进行了长达500次70%曲率的循环稳定性测试。为了验证传感器的实际应用效果，研究将PPFS嵌入到四层玻璃纤维织物（尺寸为80 × 15 mm²）的第三与第四层之间，经过环氧树脂（E51树脂与DMDC固化剂按3:1比例混合）的浸渍和热压固化，制成厚度为1 mm的GFRP复合材料板。利用万能试验机和生物力学试验机对含嵌入式PPFS的GFRP进行三点弯曲测试和拉伸测试，评估其力学性能变化。损伤监测实验则同步结合了声发射（Acoustic Emission, AE）检测系统和数字源表进行实时电阻测量，并运用X射线显微镜（XRM）对不同弯曲应变下的样品内部结构进行无损成像，以直观追踪损伤演化。此外，研究还利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立各向同性三维变形模型，采用内聚区模型（Cohesive Zone Model）并划分自由四面体网格，对方形网格与椭圆形网格传感器的双向电学行为进行了有限元模拟。

研究结果显示，在材料与性能优化方面，PPFS-1M/5C（即CNTs与MXene比例为5:1的混合传感器）展现出了最佳的综合弯曲传感性能。其线性检测范围宽达0%至63.5%，是PPFS-MX的4.29倍；灵敏度达到6.4 ± 0.09，是PPFS-CNT的1.42倍。这种性能提升源于MXene纳米片有效地减少了CNTs的团聚，将导电网络内部的点对点接触转变为更稳健的点对线接触，显著增强了导电网络的稳定性和电导率。当MXene含量过低时，无法有效分散CNTs；而含量过高则会形成致密堆叠，易发生层间滑移和分层，导致传感性能下降。该传感器在弯曲保持状态下的静态漂移低于2.07%，并在0%到90%的各种曲率下均能输出稳定信号，特别是在70%曲率下历经500次循环后，输出电阻变化率误差仅为约6%，表现出优异的长期循环稳定性和卓越的动态响应能力（响应时间小于10毫秒）。在复合材料侵入性评估方面，嵌入PPFS-1M/5C的GFRP复合材料不仅没有降低力学性能，反而实现了增强。其弯曲强度从未添加传感器的258.9 ± 8.0 MPa提升至285.7 ± 10.3 MPa，增幅达10.4%；拉伸强度也从329.9 ± 17.4 MPa提升至377.9 ± 16.4 MPa，增幅为14.5%。应力-应变曲线显示，传感器的嵌入使材料断裂模式由脆性突然坍塌转变为渐进式锯齿状下降，表明其能有效减缓并偏转分层裂纹的扩展，增强了复合材料的韧性。X射线成像结果证实，PPFS-1M/5C与环氧树脂粘附良好，导电通路在无损阶段保持完整，裂纹扩展阶段随损伤加剧而逐步被破坏。在损伤原位监测与双向感知方面，三点弯曲测试下的实时数据显示，AE能量信号的剧烈波动与电阻变化率（ΔR/R₀）的尖峰以及应力-应变曲线的一阶导数脉冲高度同步，精准对应了内部微裂纹的萌生与扩展，验证了PPFS作为失效预警传感器的可靠性。尤为重要的是，通过耦合力学-电学仿真和拉伸实验证实，传统的方形网格薄膜传感器在垂直于导电路径的方向受拉时电阻变化极小，表现出显著的方向依赖性；而本研究设计的椭圆形网格结构PPFS，在沿X轴和Y轴方向的拉伸或弯曲力矩作用下，其网格交叉点作为导电路径的一部分均会发生断裂，从而产生近乎一致的灵敏电阻响应，仅凭一对电极便成功实现了对双向弯曲应变的可靠检测。

本研究的结论指出，基于一维和二维杂化纳米材料的弯曲网格结构薄膜传感器PPFS，成功突破了对玻璃纤维增强聚合物在大弯曲变形下的非侵入性、双向健康监测难题。其科学价值在于揭示了独特的椭圆形网格几何结构通过形变耗散外应力、以及MXene/CNT杂化体系构建高效稳固导电网络的协同传感机理。其应用价值体现在，这种嵌入式传感器在提升复合材料层间韧性、保持甚至增强宿主材料力学性能的同时，能够提供与商用AE检测高度一致的损伤信号，为航空航天、风力发电等关键领域复合材料结构的实时状态监测、早期故障预警与延寿增韧设计提供了一种极具前景的全新非侵入式传感策略。该研究的亮点在于结构-功能一体化的创新设计，巧妙地将传感器的力学各向同性感知能力（双向检测）与增强复合材料的断裂韧性融为一体。