复合材料具有轻质、高强、可设计性强等优点,在现代工业和生活中得到广泛应用。然而,复合材料中基体与增强纤维的性能差异,以及基体与增强相间存在界面,使复合材料具有各向异性和优异的结构及功能特性,但也易受到微小损伤影响其性能。因此,复合材料在服役过程中经常会在负载应力、应变环境作用下出现基体破坏、纤维脱粘或断裂、层间开裂等内部损伤,这些内部损伤会不断扩展并最终导致复合材料发生灾难性破坏。因此,发展复合材料结构损伤的检测技术,对保证复合材料的安全使用具有重要学术意义和工程价值。近年来,复合材料结构健康监测作为一类对复合材料变形和损伤进行精准监测的技术,因其能够为复合材料结构失效提供预警,并为保证复合材料的安全使用提供了实时检测手段,得到国内外研究人员越来越多的重视。设计、开发可对复合材料结构健康状态进行在线探测的监测技术,已成为目前复合材料领域的重要研究方向。然而,迄今为止,已有的复合材料结构的健康检测方法,如光纤传感器、添加导电材料等,仍存在难以在线定位损伤位置、影响复合材料性能和增加成型工艺难度等问题。本工作针对复合材料结构健康状态的在线探测和定位难题,通过发展可控网络结构的轻质、高强碳纳米管薄膜,利用其力电响应特性,实现了复合材料结构健康状态的灵敏在线监测,探索了碳纳米管薄膜结构对其力电响应特性的影响规律及其作用机理。在此基础上,重点研究了复合材料在贯穿孔和层间开裂损伤模式下的损伤定量和定位分析方法,并将该方法从对静态损伤监测扩展到对树脂流动的动态过程监测,实现了对复合材料树脂传递模塑工艺中树脂的浸润、流动以及固化的在线监测。进一步地,在实现复合材料结构健康监测的基础上,提出了热塑性复合材料损伤和修复状态的在线监测方法,研究了复合材料在初始、损伤和修复状态下的结构与电学参数的关系,并基于复合材料力学性能和电学性能提出了损伤及修复监测的等效判据法,为复合材料在线损伤及修复状态监测提供了可靠的评价依据。具体研究内容简介如下:研究了碳纳米管薄膜的制备工艺以及碳纳米管的分散状态和添加剂对其力学和电学性能的影响,建立了碳纳米管薄膜结构及其力/电性能的关系。调控添加剂种类,利用添加剂与碳纳米管之间分子间可重建的相互作用力,制备出同时具有高强度、高韧性和良好电导率的碳纳米管薄膜,并通过分子动力学模拟揭示了添加剂分子对碳纳米管薄膜强韧化的作用机制。在此基础上,研究了碳纳米管薄膜结构与其力电响应灵敏度的关系,为碳纳米管薄膜在复合材料结构健康监测中的应用奠定了基础。通过共固化法将碳纳米管薄膜与复合材料一体成型,实现了碳纳米管薄膜传感单元与复合材料的无损伤复合。对电极数目以及排布方式进行了仿真模拟,研究了电极排布对损伤监测精度的影响规律,实现了裂纹、贯穿孔和层间开裂损伤模式下的复合材料损伤的高精度在线监测。基于电阻层析成像技术,以碳纳米管薄膜为传感单元,发展了复合材料结构健康的在线监测技术。将上述基于碳纳米管薄膜的静态损伤监测技术拓展到对树脂基复合材料制备过程的动态监测,研究了树脂浸润、流动及固化对碳管薄膜网络结构和电学性能的影响,实现了对真空辅助树脂传递制备工艺中树脂流动的动态监测,进而实现了对树脂流动位置及其形状的准确监测。对复合材料制备过程的实时在线监测,可以为改进复合材料的制备工艺提供新的思路。此外,在复合材料成型后,电极可保留用于损伤监测,为复合材料提供了从生产制造到承载服役过程的全寿命结构健康监测方法。基于对碳纳米管薄膜电阻层析成像技术的研究,揭示了碳纳米管薄膜电阻随其结构的变化规律,以热塑性聚氨酯为基体、以碳纳米管为填料,制备了热塑性复合材料。通过电阻法和电阻层析成像法研究了碳纳米管/聚氨酯复合薄膜原始、损伤和修复三种状态的电学性质,分析了损伤修复前后薄膜结构与电阻变化的关系,实现了复合材料损伤和修复过程的在线监测,并对其程度和位置进行了定位表征。建立了复合薄膜机械性能和电学性能的关系,并提出了评价复合材料损伤修复效果的等效判据,验证了该方法在复合材料损伤探测和定位成像中的应用,实现了复合材料在线修复效率的判定,为复合材料在线结构健康监测提供了新的方法。