復合材料以其輕量化、高強度、抗腐蝕的核心優勢，已深度滲透航空航天、風電能源、新能源汽車等戰略產業。從波音787機身50%的復合材料占比，到我國百米級風電葉片的規模化應用，復合材料正成為高端裝備升級的核心支撐。但復合材料損傷隱蔽性強、失效機制復雜，傳統人工檢測難以滿足實時安全管控需求，結構健康監測（SHM）技術應運而生。2022-2025年，隨著傳感技術、人工智能與物聯網的深度融合，SHM技術實現了從單點監測到全域感知、從離線分析到實時預警的跨越式發展，為復合材料全生命周期安全管理提供了核心技術支撐。

一、引言：從被動檢測到智能防控的技術演進

1.1 戰略意義與應用背景

在航空航天領域，飛行器復合材料結構的安全直接關系到飛行安全與任務成敗；風電行業中，百米級復合材料葉片長期暴露于強風、雷暴等復雜環境，損傷風險極高；新能源汽車領域，復合材料電池包、車身結構的輕量化應用，對實時安全監測提出了嚴苛要求。SHM技術通過實時捕捉結構應力、溫度等狀態信息，精準識別損傷萌生與演化趨勢，不僅能避免重大安全事故，還能大幅降低維護成本，其技術成熟度已成為相關產業高質量發展的關鍵指標。

1.2 技術發展歷程

復合材料SHM技術的發展可分為三個關鍵階段：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，難以發現內部隱蔽損傷；中期進入單一傳感器監測階段，光纖、壓電等傳感技術的應用實現了特定參數的連續采集，但存在監測范圍有限、抗干擾能力弱等短板；2022年后，技術進入智能監測新階段，多傳感融合、人工智能算法與物聯網平臺的協同應用，構建起“感知-分析-決策-預警”全鏈路解決方案，實現了從被動響應到主動預測的根本性轉變。

1.3 綜述范圍

本文聚焦2022-2025年SHM技術的最新進展，重點闡述光纖傳感、壓電傳感、紅外熱成像等核心技術的原理創新與性能突破，分析多傳感器融合、人工智能、物聯網在系統集成中的應用實踐，結合航空航天、風電、汽車等領域的典型案例驗證技術實效，探討當前面臨的核心挑戰與未來發展方向，為行業技術創新與工程落地提供參考。

二、核心監測技術：原理創新與性能突破

2.1 光纖傳感技術：高精度與廣覆蓋的雙重優勢

光纖傳感技術憑借抗電磁干擾、耐極端環境、可埋入式安裝等特性，成為復合材料SHM的主流技術。光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術實現了με級的高精度應變與溫度測量，在航空發動機葉片、航天飛行器承力結構等高溫部件監測中表現突出，能精準捕捉微小應變變化，提前預警疲勞損傷風險。

分布式光纖傳感技術取得關鍵突破，基于瑞利散射、拉曼散射的監測系統，可實現數公里長距離連續監測與損傷定位，定位精度提升至10cm以內，完美適配風電葉片、橋梁等大型結構的全域監測需求。在應用方式上，埋入式與表面粘貼式方案形成互補：埋入式可直接監測材料內部狀態，不影響結構力學性能，但對安裝工藝要求較高；表面粘貼式施工便捷、維護成本低，適用于既有結構的升級改造，兩種方式的協同應用成為復雜結構監測的優選方案。

2.2 壓電傳感技術：柔性化與高效化的協同發展

壓電傳感技術通過壓電效應實現能量轉換，兼具傳感與驅動功能，在復合材料損傷監測中應用廣泛。壓電陶瓷（PZT）傳感器實現了主動監測與被動監測的有機結合，主動模式下通過激發蘭姆波掃描結構內部，被動模式下捕捉損傷產生的應力波信號，掃描速度較傳統方案提升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用場景，其厚度薄、柔韌性好，可緊密貼合復合材料復雜曲面，實現不規則結構的全方位監測。在蘭姆波監測技術方面，通過信號處理算法優化，有效解決了多模式波干涉問題，顯著提升了內部損傷識別的準確性，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：智能化與抗干擾能力提升

紅外熱成像技術通過捕捉結構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。主動熱成像技術優化了熱激勵方式，采用脈沖、鎖相式熱激勵方案，結合高幀率紅外相機與信號處理算法，大幅提升了深層缺陷的檢測能力，可識別毫米級內部脫粘損傷。

被動熱成像技術突破了環境溫度波動的限制，通過引入環境補償算法與自適應閾值調整技術，在復雜環境下仍能保持較高的損傷識別精度。更重要的是，紅外熱成像與機器學習算法的深度融合成效顯著，通過卷積神經網絡（CNN）對熱成像數據進行特征提取與模式識別，缺陷識別準確率提升至95%以上，有效降低了人工判讀的誤報率與漏報率。

2.4 其他創新監測技術

聲發射監測技術可實時捕捉復合材料損傷演化過程，通過監測材料斷裂、分層時釋放的彈性波，精準定位損傷位置并評估嚴重程度，在碳纖維增強環氧樹脂復合材料界面失效監測中，成功捕捉到纖維斷裂與基體開裂的特征信號。

微波/雷達監測技術憑借非接觸式優勢，適用于惡劣環境下的遠程監測，通過電磁波穿透與反射特性識別內部缺陷，無需接觸結構表面即可完成檢測。電阻應變監測技術作為低成本方案，通過優化傳感器結構與信號放大電路，在保證監測精度的同時降低了系統成本，適用于汽車零部件等批量生產場景的健康監測。

三、多技術融合：智能監測系統的集成創新

3.1 多傳感器融合技術：優勢互補提升可靠性

單一傳感技術難以全面覆蓋復合材料各類損傷類型，多傳感器融合成為技術發展必然趨勢。光纖-壓電傳感融合系統備受關注，FBG傳感器的高精度應變測量與PZT傳感器的主動損傷探測形成優勢互補，通過優化數據融合算法，有效解決了單一傳感器的監測盲區問題，損傷定位誤差最低可控制在厘米級。

紅外-超聲監測融合方案實現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，超聲技術對局部裂紋檢測更敏感，兩者結合使損傷檢測覆蓋率提升30%以上。在數據融合算法方面，自適應加權融合、貝葉斯估計等算法的應用，實現了多源數據的特征提取與信息互補，顯著提升了復雜環境下的損傷識別可靠性。

3.2 人工智能：推動監測向智能決策跨越

人工智能算法的深度應用，讓SHM技術從數據采集邁向智能決策。機器學習算法（如支持向量機、隨機森林）在損傷識別與分類中表現優異，通過對傳感器數據的特征學習，實現了裂紋、分層、脫粘等典型損傷的精準分類，識別準確率超過90%。

深度學習技術實現了損傷演化預測的突破，基于長短期記憶網絡（LSTM）、時序卷積網絡（TCN）的模型，能從歷史監測數據中挖掘損傷演化規律，剩余壽命預測準確率超過85%。針對實際應用中缺陷樣本稀缺的問題，遷移學習與生成對抗網絡（GAN）發揮重要作用，遷移學習可將已有材料的監測模型遷移至新型復合材料，縮短模型訓練周期70%；GAN通過數據增強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確率大幅提升。

3.3 物聯網與系統集成：實現全鏈路智能化

智能監測系統架構實現了從傳感器到云平臺的全鏈路集成，邊緣 - 云端協同計算成為主流。邊緣層部署輕量級算法，對傳感器數據流進行實時預處理，異常檢測延遲低于50ms，篩選出的可疑事件上傳至云端；云端利用強大計算資源進行深度建模與數據分析，結合數字孿生技術構建結構虛擬模型，實現監測數據與仿真模型的實時聯動。

無線傳感網絡技術不斷優化，低功耗、自組織網絡設計降低了系統能耗，延長了傳感器使用壽命，適用于長期無人值守的風電塔架、海洋平臺等場景。物聯網技術實現了遠程監控與預警系統的規?；瘧?，通過4G/5G、LoRa等通信技術，將分布在不同位置的監測節點數據匯總至管理平臺，管理人員可實時查看結構健康狀態，接收異常預警信息，實現遠程運維管理。

四、工程應用：從實驗室到產業落地的實踐驗證

4.1 航空航天領域：極端環境下的可靠監測

在飛機機翼結構監測中，分布式光纖傳感網絡成功實現工程應用，通過將FBG傳感器埋入機翼復合材料層合板，實時監測飛行過程中的應變分布，精準識別機翼前緣、翼盒等關鍵部位的損傷風險，使結構維護頻率降低50%。航天飛行器熱防護結構監測中，融合光纖與壓電傳感的系統，在-150℃~600℃的極端溫度環境下保持穩定工作，為燃料貯箱、發動機結構等關鍵部件提供安全保障。

航空發動機葉片監測取得技術突破，耐高溫FBG傳感器與紅外熱成像技術協同應用，實時監測葉片在高溫高壓環境下的應變與溫度變化，提前預警疲勞裂紋萌生，使發動機維護成本降低30%以上。某航空航天復材部件產線應用多模態監測系統后，3個月內自主發現4類新型界面失效模式，識別周期從傳統方法的3-6個月壓縮至7天。

4.2 風電領域：復雜環境下的全域監測

風電葉片監測中，分布式光纖傳感網絡實現了百米級葉片的全覆蓋監測，傳感器沿葉片長度方向布置，實時捕捉風載荷作用下的應變變化與損傷定位，定位精度達10cm，有效降低了葉片斷裂風險。風電塔架監測采用光纖 - 壓電多傳感器融合系統，通過無線傳感網絡實現數據傳輸，在強風、低溫等復雜環境下保持穩定運行，監測系統故障率控制在0.5% 以內。

海上風電結構監測重點解決了海洋環境腐蝕、濕度影響等問題，通過傳感器封裝技術優化與抗干擾算法改進，提升了系統在高鹽霧、高濕度環境下的可靠性。某海上風電場應用智能監測系統后，葉片維護次數減少40%，年維護成本降低超500萬元，顯著提升了風電場運營效益。

4.3 汽車工業：輕量化趨勢下的安全保障

新能源汽車電池包監測中，復合材料殼體采用壓電薄膜傳感器與紅外熱成像協同監測方案，實時監測殼體應變狀態與溫度分布，當出現碰撞損傷或熱失控風險時，及時觸發預警信號，保障電池包安全。某新能源汽車企業應用該技術后，電池包相關安全事故發生率降低60%。

汽車車身結構監測聚焦輕量化復合材料的損傷預警，通過表面粘貼式FBG傳感器與電阻應變傳感器組成監測網絡，捕捉車身在行駛過程中的應變變化，識別碰撞后的隱性損傷，為車輛維護提供數據支撐。智能座艙領域，多功能復合材料集成傳感技術實現了狀態感知與環境監測一體化，提升了座艙舒適性與安全性。

4.4 基礎設施領域：長期服役性能評估

復合材料橋梁監測中，分布式光纖傳感系統實現了橋梁主體結構的長期服役性能評估，通過多年連續監測數據，分析結構應變演化規律，預測剩余服役壽命，為橋梁維護決策提供科學依據。某復合材料人行橋應用該技術后，成功預警了支座脫粘損傷，避免了結構失效風險。

海洋平臺監測針對復雜海洋環境，采用多傳感器融合系統，集成光纖傳感、聲發射監測與微波雷達技術，實現了平臺復合材料結構的全面監測，有效識別腐蝕、疲勞損傷等問題。建筑復合材料監測中，SHM技術用于抗震性能評估與預警，通過實時監測結構在地震作用下的響應，為建筑安全提供保障。

五、挑戰與展望：技術創新的未來方向

5.1 當前核心技術挑戰

監測精度方面，微小損傷的早期檢測仍是關鍵難題，需要將檢測靈敏度提升至0.1%應變水平，才能有效捕捉內部早期分層、微裂紋等缺陷。系統可靠性方面，長期服役條件下的穩定性有待提升，在高溫、高濕、強腐蝕等極端環境下，傳感器壽命與信號穩定性面臨考驗，需將系統故障率降低至0.1%以內。

成本控制是制約SHM技術規?；瘧玫闹匾蛩?，高性能傳感器與數據處理系統的成本較高，尤其在風電、汽車等批量生產領域，成本優化成為技術商業化的關鍵。此外，不同類型復合材料的損傷機制差異較大，監測模型的通用性不足，也增加了技術推廣難度。

5.2 創新發展方向

自供電傳感技術成為重要研發熱點，通過集成太陽能、振動能量收集與存儲系統，實現傳感器自主供電，降低對外部電源的依賴，延長系統使用壽命。某研究團隊開發的壓電式自供電傳感器，已實現10mW功率輸出，滿足小型監測節點的能耗需求。

多功能傳感材料實現了傳感與結構一體化設計，將傳感功能融入復合材料本身，無需額外安裝傳感器，既保證了結構力學性能，又降低了系統復雜度。例如，碳纖維增強復合材料集成傳感功能，可同時實現結構承載與損傷監測，在航空航天結構中具有廣闊應用前景。

智能預警系統向大數據驅動的剩余壽命預測方向發展，通過融合監測數據、材料性能數據、環境數據等多源信息，構建更精準的壽命預測模型，實現從“損傷報警”到“失效預測”的跨越。聯邦學習技術的應用將解決數據隱私與樣本稀缺問題，通過跨企業、跨領域數據共享，提升模型泛化能力。

5.3 應用拓展前景

醫療健康領域，生物醫用復合材料的實時監測成為新方向，可用于人工骨骼、心血管支架等植入式器件的狀態監測，實時反饋器件服役狀態與人體組織相容性，為醫療診斷提供數據支撐。智能穿戴領域，柔性復合材料集成傳感技術實現了生理信號監測與運動狀態感知一體化，開發出具有健康監測功能的智能服裝、手環等產品。

智能制造領域，SHM技術向復合材料加工過程延伸，通過實時監測成型過程中的溫度、壓力、應變等參數，優化加工工藝參數，將缺陷抑制在萌芽階段。實踐表明，加工過程監測可使復合材料缺陷率從1.5%降至0.3%，大幅降低返工成本。

六、結論

2022-2025年，復合材料結構健康監測技術取得顯著進展，光纖傳感、壓電傳感、紅外熱成像等核心技術不斷突破，實現了監測精度、效率與可靠性的全面提升。多傳感器融合、人工智能與物聯網技術的深度集成，構建了“傳感-診斷-預警”一體化技術體系，推動SHM技術從實驗室研究走向工程化應用。

在航空航天、風電、汽車、基礎設施等領域，一系列典型應用案例驗證了技術的實用價值，有效保障了重大裝備的安全服役，降低了維護成本。當前，監測精度提升、系統可靠性增強與成本控制仍是核心挑戰，未來需通過自供電傳感、多功能傳感材料、智能預警系統等技術創新，推動SHM技術向更高精度、更可靠、更經濟的方向發展。

多學科融合是SHM技術的核心發展趨勢，材料科學、傳感技術、人工智能、物聯網等領域的交叉創新，將持續拓展技術應用邊界。隨著技術不斷成熟，SHM技術將在醫療健康、智能穿戴、智能制造等新興領域實現廣泛應用，為復合材料產業的高質量發展提供強有力的技術支撐，助力相關產業實現安全、高效、可持續發展。