螺栓连接作为常用的机械连接形式，具有连接强度高、拆卸便捷、制造成本低、适应复杂工况等优点^{[ [1]  王娟, 施建伟, 张书亭, 等. 复合材料螺栓连接接头渐进损伤分析研究进展[J]. 航空制造技术, 2016, 59(3): 85–89, 96.WANG Juan, SHI Jianwei, ZHANG Shuting, et al. Research progress of progressive damage analysis of composite bolted joint[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016, 59(3): 85–89, 96.
[2]  CROCCOLO D, DE AGOSTINIS M, FINI S, et al. Failure of threaded connections: A literature review[J]. Machines, 2023, 11(2): 212.
1-2 ]}，广泛应用于航空航天、石油化工、轨道交通等领域的重大装备关键部件中。螺栓连接结构在长期服役过程中易在拉应力、剪切应力等多种载荷作用下发生松动，进而导致连接性能退化，诱发结构失效、材料疲劳与寿命缩短，严重时可能引起部件脱落，带来严重安全隐患。因此，螺栓松动监测显得尤为重要，其有助于保障工程安全，提高设备可靠性以及降低维护成本，是当前学者们研究的重点方向^{[ [3]  宫涛, 杨建华, 庄絮竹, 等. 螺栓松动故障监测实验研究综述[J]. 机械设计与制造, 2024(2): 354–363.GONG Tao, YANG Jianhua, ZHUANG Xuzhu, et al. Review of experimental research on bolt looseness monitoring[J]. Machinery Design & Manufacture, 2024(2): 354–363.
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3-4 ]}。结构健康监测（Structural health monitoring，SHM）技术通过在结构关键部位布设传感器，实现结构响应数据的实时采集与分析，从而对结构状态进行动态评估，识别潜在损伤及性能退化趋势，此技术已在工程领域得到广泛应用^{[ [5]  VIJAYAN D S, SIVASURIYAN A, DEVARAJAN P, et al. Development of intelligent technologies in SHM on the innovative diagnosis in civil engineering—A comprehensive review[J]. Buildings, 2023, 13(8): 1903.
[6]  田童, 李建乐, 邓德双, 等. 飞行器结构健康监测技术研究进展[J]. 航空制造技术, 2024, 67(13): 41–67, 98.TIAN Tong, LI Jianle, DENG Deshuang, et al. Research progress of structural health monitoring technology for aircraft[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2024, 67(13): 41–67, 98.
5-6 ]}。针对螺栓松动问题，SHM技术可实现对状态变化的在线感知与预警，可逐步取代传统依赖人工巡检的方式，在提升检测效率的同时显著降低潜在安全风险，使其具有重要的工程应用价值。

现有研究主要基于声发射信号分析^{[ [7]  ZHOU Y, WANG S Y, ZHOU M, et al. Percussion-based bolt looseness identification using vibration-guided sound reconstruction[J]. Structural Control and Health Monitoring, 2022, 29(2): e2876.
[8]  YUAN R, LV Y, XU S J, et al. ResNet–integrated very early bolt looseness monitoring based on intrinsic feature extraction of percussion sounds[J]. Smart Material Structures, 2023, 32(3): 034002.
7-8 ]}、超声导波与信号处理算法融合技术^{[ [9]  CHEN D D, LI W, DONG Z Q, et al. Multi-bolt looseness monitoring using guided waves: A cross-correlation approach of the wavelet energy envelope[J]. Smart Material Structures, 2024, 33(12): 125019.
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9-10 ]}、光纤布拉格光栅应变感知方法^{[ [11]  CHEN D D, HUO L S, LI H N, et al. A fiber Bragg grating (FBG)-enabled smart washer for bolt pre-load measurement: Design, analysis, calibration, and experimental validation[J]. Sensors, 2018, 18(8): 2586.
[12]  ZHANG W X, WANG T, YU W, et al. FBG-based loosening angle measurement sensor for bolt looseness monitoring[J]. IEEE Sensors Journal, 2025, 25(3): 4254–4260.
11-12 ]}，以及基于机器视觉的图像特征分析等方法^{[ [13]  DENG L, SA Y, LI X F, et al. A vision-based bolt looseness detection method for a multi-bolt connection[J]. Applied Sciences, 2024, 14(11): 4385.
[14]  LUO J, LI K L, XIE C Q, et al. A novel anti-loosening bolt looseness diagnosis of bolt connections using a vision-based technique[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 11441.
13-14 ]}，对螺栓松动状态进行监测。然而，现有传感技术在工程应用中仍面临诸多如器件构型复杂、制造成本高、灵敏度有限及环境适应性不足等问题。相比之下，压阻传感器因其结构简单、制造成本低、便于集成等优势，在螺栓松动监测领域展现出较大应用潜力^{[ [15]  ZHAO Y J, MIAO L W, XIAO Y, et al. Research progress of flexible piezoresistive pressure sensor: A review[J]. IEEE Sensors Journal, 2024, 24(20): 31624–31644.
[16]  SANLI A, DEMIRKALE B, KANOUN O. Real-time detection of loosening torque in bolted joints using piezoresistive pressure-sensitive layer based on multi-walled carbon nanotubes reinforced epoxy nanocomposites[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 4830.
15-16 ]}。表1对上述各类方法在螺栓松动监测中的优势与不足进行了归纳与对比。

Song等^{[ [17]  SONG P Q, LIU Q J, WANG K, et al. On-site monitoring of composite bolted joints looseness using CB/PVP nanocomposite piezoresistive sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2022, 22(21): 21179–21187.
17 ]}基于炭黑（Carbon black，CB）和聚乙烯吡咯烷酮复合材料开发了一种高灵敏度压阻传感器，通过调控组分质量分数及优化电极布局，实现了对碳纤维增强复合材料螺栓连接结构松动状态的高效监测，为复合材料连接结构的健康监测提供了新的技术路径。Jiang等^{[ [18]  JIANG X W, MA K M, LU S W, et al. Structure bolt tightening force and loosening monitoring by conductive MXene/FPC pressure sensor with high sensitivity and wide sensing range[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2021, 331: 113005.
18 ]}研制的一种基于MXene/柔性电路板（Flexible printed circuit board，FPC）的压阻传感器，具有优异的力学性能和环境适应性，在63000次压力循环加载后仍保持稳定响应，并可在振动环境下准确识别螺栓松动状态，展现出较高的可靠性与耐久性。上述研究表明，压阻传感器凭借结构简单、灵敏度高及易于集成等优势，已在螺栓连接结构松动监测中展现出良好的应用潜力。然而，针对高温服役工况下大尺寸螺栓连接结构的压阻传感监测技术的相关研究仍较为薄弱，且仍面临多项关键技术难题。

重大装备在运行过程中常处于高温环境，其连接部位通常采用具有耐热胀冷缩、抗氧化及抗应力松弛性能的螺栓连接结构。螺栓不仅需在常温下保持连接可靠性，更需在高温工况下长期稳定服役。因此，实现高温条件下的螺栓松动监测具有重要的工程应用价值。针对该需求，国内外学者持续开展高温环境下压阻传感器的相关研究。Zhang等^{[ [19]  ZHANG G D, ZHAO Y L, ZHAO Y, et al. Research of a novel ultra-high pressure sensor with high-temperature resistance[J]. Micromachines, 2017, 9(1): 5.
19 ]}提出将截锥截面结构与绝缘硅基压阻元件相结合，有效隔离热源，使传感器在高达800 ℃的环境下实现了1.6 GPa的超高压力测量，然而，该方案因传感器整体尺寸较大，难以集成于螺栓连接结构中，限制了其在紧凑空间内的工程应用。Yang等^{[ [20]  YANG N, YIN X Y, LIU H L, et al. High-performance wearable piezoresistive sensor with a wide temperature range via a Ti3C2Tx MXene/Au dual-layer conductive network and microspike structure[J]. ACS Applied Nano Materials, 2024, 7(14): 16964–16974.
20 ]}提出一种Ti₃C₂T_x MXene/Au双层导电网络和微球状结构的压阻传感器，其具备1000 kPa的压力监测范围和497 kPa^–1的灵敏度，并可在400 ℃高温环境下保持稳定工作性能。该传感器虽通过结构设计显著提升了灵敏度，但其压力量程有限，从而制约其在大尺寸螺栓连接结构松动监测中的适用性。Kadkhodazadeh等^{[ [21]  KADKHODAZADEH M, POURMAHDIAN S, AFSHAR-TAREMI F. Piezoresistive polyurethane nanocomposites of MWCNT–graphene with high modulus and thermomechanical stability[J]. Polymer Composites, 2025, 46(10): 8892–8905.
21 ]}采用高弹性模量聚氨酯基体，掺杂碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）和石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets，GNP）导电填料，开发出一种具有优异热稳定性的压阻传感器，能够在150 ℃下实现10 MPa量程的压力监测。该传感器在中低温下具有良好性能，但其聚氨酯基体不耐高温，长期服役易发生性能退化，难以满足高温环境下螺栓状态监测的应用需求。现阶段，压阻传感器在耐高温、宽量程及薄型化等方面仍难以同时满足螺栓松动监测的工程应用需求，其在高温环境下的实际应用仍处于探索阶段。

为解决上述问题，本文设计并制备了一种以CB和聚酰亚胺（Polyimide，PI）为主要功能组分的压阻传感器，其具备优良的耐高温性能、宽响应范围及薄型结构特征，可满足高温环境下螺栓松动监测的关键技术要求。传感器在制备时首先将CB、热稳定剂氧化铝（Al₂O₃）与聚酰胺酸（Polyamic acid，PAA）溶液混合，通过机械搅拌与超声分散实现导电溶液的均匀分散，随后采用刮涂与热亚胺化工艺将其转化为传感层，并实现与FPC基底的一体化集成。本文系统分析了传感器的工作机理，对不同导电填料类型、质量分数及热稳定剂对传感性能的影响进行了对比分析，并开展了传感器压阻响应特性、高温环境下耐久性与重复性等方面的性能测试。进一步通过螺栓连接结构松动监测试验，验证了所研制传感器在高温工况下的稳定性与长期服役性能。所提出的松动监测方法展现出良好的工程适用性，为高温服役环境下螺栓连接结构的状态感知与健康监测提供了有效的技术支撑。

本文采用的纳米复合材料压阻传感器，其电阻变化主要来源于导电路径重构与隧穿效应变化。导电路径的变化主要表现为导电颗粒在聚合物基体中构建三维导电网络，外力作用下颗粒间接触点数量发生改变，从而引起整体电阻的降低或升高。该传感器由导电填料以及基体材料PI组成，其中，PI作为主要受力载体，导电填料在其内部均匀分散，形成连续导电网络。同时，当外加载荷作用时，颗粒间距减小，电子隧穿概率上升，导致隧穿电阻降低；在载荷卸除后，颗粒间距恢复，隧穿效应减弱，电阻随之增大，如图1所示。基于此，传感器的电阻变化可用于表征所受压力的变化情况。

本文制备压阻传感器的具体工艺流程如图2所示。首先，将导电填料、热稳定剂加入PAA溶液进行混合，充分溶解并混合得到导电溶液。随后，对该溶液进行机械搅拌（2 h）与超声分散（0.5 h），以充分破除溶质团聚体，提升导电填料的分散均匀性。然后，将导电溶液均匀涂覆于预先设计的柔性FPC上，采用刮膜机控制涂覆厚度并确保膜层均匀。涂覆完成后，将样品置于高温干燥箱中，按照预设的温度梯度程序分阶段加热，依次在80 ℃加热20 min、120 ℃加热30 min、180 ℃加热30 min、200 ℃加热10 min、220 ℃加热20 min、250 ℃加热30 min及280 ℃加热20 min的条件下进行处理，以实现导电溶液的逐步热亚胺化。经过该过程，导电溶液转化为具备压阻效应的传感层，牢固附着于FPC基底表面，并与其凹槽结构中的铜电极实现接触。随后，在传感层表面再次涂覆一层纯PAA溶液，并重复上述热亚胺化步骤，形成聚酰亚胺保护层，从而增强传感层的结构稳定性与服役耐久性。FPC及压阻传感器的结构示意图如图3所示。本文所采用的试验平台由M20螺栓、规格为21 mm×37 mm×1.6 mm的平垫片以及150 mm×150 mm×60 mm的钢块组成。为兼顾螺栓与垫片的尺寸适配性，同时避免对螺栓连接结构的强度造成干扰，FPC整体结构设计由直径8 mm、厚100 μm的圆柱体及6 mm×500 mm×100 μm的矩形条带组成。其中，圆柱体内部开设尺寸为2 mm×5 mm×60 μm长方体结构的凹槽，用于嵌入传感功能区域；凹槽底部两侧设置尺寸为0.5 mm×2 mm的铜电极。凹槽中预设传感层厚度为40 μm，上方覆盖20 μm厚的PI保护层。

在聚合物基复合材料中，碳基导电填料因其优异的电学性能、力学强度及良好的稳定性，被广泛应用于高性能复合材料与传感器领域，典型材料包括CB、CNT和GNP等。本文所用CB粉末由瑞士特密高公司提供，GNP与CNT粉末由苏州碳丰公司提供，Al₂O₃粉末由中研纳米新材提供，PAA溶液由江苏特越塑胶提供，溶液中固含量质量分数为18%，溶剂为N–甲基吡咯烷酮（N–methyl–2–pyrrolidone，NMP）。

为评估不同碳基导电填料在高温环境下的压阻响应特性，本文选取3种导电填料CB、CNT和GNP，分别与PAA溶液混合制备导电溶液。通过高温热亚胺化过程将PAA转化为PI，使传感层固化并与FPC集成。各类传感器传感层的组成及其导电溶液中溶质含量见表2所示。不同导电填料的传感器在300 ℃的热稳定性试验结果如图4所示，其中5CB/PI的电阻值下降0.017%、5CNT/PI下降0.274%，而5GNP/PI则上升2.944%。对比之下，采用CB作为导电填料的5CB/PI传感器在300 ℃条件下表现出更优异的电阻稳定性，该差异主要源于CB作为高温热解产物，自身对温度变化的敏感性低于GNP和CNT，因此在高温环境下具备更好的热稳定性。

为提升压力响应灵敏度，本文基于渗流理论来确定导电填料最优质量分数，通过制备不同CB质量分数的传感器并开展电导率测试，明确渗流阈值区间，从而优化填料配比以增强传感性能。各传感器传感层组成及其导电溶液中溶质质量如表3所示。电导率测试结果如图5所示，当CB质量分数≤2%时，传感器处于绝缘状态，电导率小于6.0×10^–4 S/m；当CB质量分数从2%~4%时，传感器电导率从6.0×10^–4 S/m急剧上升至2.1 S/m；当CB质量分数从4%~7%时，电导率从2.1 S/m缓慢上升至5.5 S/m。综上分析，CB质量分数为2%~4%时，传感器处于渗流阈值区间，在该区间内的对外部压力变化最为敏感。因此，本文后续采用3%的质量分数作为压阻传感器传感层中CB的质量分数。

在确定导电填料为3% CB的基础上，本文通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）对3CB/PI传感器的传感层微观形貌进行表征。SEM测试采用ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE电子显微镜，在加速电压15 kV、放大倍率2000倍的条件下获取图像，如图6所示。结果表明，CB颗粒在PI基体表面及内部均匀分布，有助于形成稳定、连续的导电网络，增强传感层的应变响应一致性与可靠性，从而提升传感器在高温及复杂载荷环境下的性能表现。

为提高高温环境下传感器的工作稳定性，在确定导电填料为3% CB的基础上，进一步添加热稳定剂Al₂O₃以增强热稳定性。制备含Al₂O₃的压阻传感器与不含Al₂O₃的压阻传感器，各传感层组成及导电溶液中溶质质量见表4。测试结果如图7所示，3CB/PI传感器在300 ℃下持续1000 s后电阻值下降0.101%，而3CB/Al₂O₃/PI传感器电阻值仅下降0.058%，电阻变化明显减小，热稳定性显著提升。这是由于在高温环境下，电子迁移率显著增加，高能载流子易破坏传感层内分子链，导致PI基体产生高密度结构缺陷。而Al₂O₃具备优异的耐高温性能，掺杂后可在PI基体内形成高电阻路径，降低载流子迁移速率，有效减缓对分子链的损伤，提高基体结构稳定性，从而提升传感器在300 ℃下的热稳定性。

本文采用3CB/Al₂O₃/PI传感器作为性能测试用样品，实物图如图8所示。测试过程中，将该传感器安装于微小电磁力疲劳试验机上，传感器的引脚通过导线与源表连接，源表实时记录测试过程中的电阻变化，并通过数据线将电阻值传输至计算机进行数据采集与图像绘制，以实现对传感器性能的评估。压力测试装置如图9所示。

使用压力测试装置对3CB/Al₂O₃/PI传感器进行压力–电阻响应测试。通过微小电磁力疲劳试验机，施加频率为0.01 Hz、压强分别为0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa和1.6 MPa的压力，监测并记录传感器在不同压力条件下的电阻响应。图10显示了压阻传感器在不同压力作用下的电阻响应特性，当传感器分别承受0.4 MPa、0.8 MPa、1.2 MPa和1.6 MPa的压强时，其电阻值依次下降0.021%、0.038%、0.059%和0.083%，且电阻值在加载后的短时间内保持稳定。图11展示了传感器的电阻变化率绝对值随施加压强增加的响应规律。结果表明，电阻变化率绝对值随压强增大而同步增加，且两者呈近似线性关系，表明所制备传感器在压力加载过程中的线性响应特性良好，具备稳定且准确的压力感知能力。

本文对3种不同质量分数CB的传感器开展了循环压力测试，在频率为0.01 Hz、压强为0.8 MPa的条件下施加500次正弦波循环载荷，实时监测并记录传感器在循环加载过程中的电阻响应，各传感器传感层组成及其导电溶液中溶质含量如表5所示。图12展示了不同质量分数的CB压阻传感器在循环压力作用下的重复性测试结果。其中，3CB/Al₂O₃/PI传感器在循环压力下的电阻变化率约为0.04%，显著高于5CB/Al₂O₃/PI与7CB/Al₂O₃/PI传感器，对应上文所述3%的质量分数为传感器渗流阈值的分析结果，表明该质量分数下传感器对外部载荷变化更为敏感。此外，该传感器在500次压力循环过程中表现出稳定的电阻响应，说明该压阻传感器具有良好的重复性和稳定性，可满足长期服役需求。

为研究传感器在受压变形后的形变恢复能力，本文对3CB/Al₂O₃/PI传感器进行了压力加载–卸载测试。在施加与卸载1.6 MPa压力过程中，实时记录传感器的压强与应变变化。图13表明，加载阶段压强与应变呈近似线性关系，卸载阶段存在一定滞后，主要源于PI基体弹性效应。循环结束后，测试曲线基本恢复至初始状态，表明传感器具有良好的形变恢复能力与结构稳定性。

为验证压阻传感器在室温及300 ℃高温环境下对大尺寸螺栓松动状态的监测能力，本文将制备的传感器应用于M20大尺寸螺栓松动试验中。试验平台由M20螺栓、尺寸为21 mm×37 mm×1.6 mm的垫片及150 mm×150 mm×60 mm钢块组成，传感器区域位于垫片与钢块之间。试验装置如图14所示，同时高温条件下的螺栓松动监测试验在恒温300 ℃的高温干燥箱中进行。

试验中采用数显扭力扳手施加不同扭矩，实现螺栓的预紧与松动状态调控。传感器所受压强可依据式（1）与（2）进行计算。

式中，F为螺栓预紧力；T为螺栓扭矩；K为拧紧力系数（本文取0.2）；d为螺栓公称直径；P为垫片下方压强；S为垫片面积。根据上述公式可以得到扭矩与压强间的关系如表6所示。

图15展示了不同质量分数CB传感器在300 ℃条件下螺栓松动试验中的测试结果。在松动过程中，螺栓扭矩由100 N·m逐渐下降至70 N·m，3种传感器中3CB/Al₂O₃/PI表现出最高灵敏度，其电阻值上升了0.62%，显著高于5CB/Al₂O₃/PI的0.14%与7CB/Al₂O₃/PI的0.11%。试验结果表明，300 ℃高温及压力的大幅变化对3CB/Al₂O₃/PI的灵敏度优势无明显影响，上述结果进一步证明了本文所选用的3CB/Al₂O₃/PI传感器在不同质量分数配置的传感器中显示出较优的综合性能。在此基础上，对该传感器在不同温度条件下的螺栓松动监测响应进行了进一步分析。

传感器3CB/Al₂O₃/PI在室温及300 ℃高温条件下的螺栓松动测试结果如图16所示。随着螺栓扭矩由100 N·m降至70 N·m，垫片下方压强由34.30 MPa降至24.01 MPa。当扭矩下降至70 N·m时传感器电阻在室温条件下上升了0.65%；在300 ℃条件下上升了0.62%。该电阻上升主要源于螺栓松动导致接触压力降低，传感器所受应力减弱，同时CB颗粒间距增大使得导电通道减少，从而引起电阻增大。在300 ℃高温环境中，电阻的上升幅度略低于室温条件，这归因于高温下传感器内部电子迁移率的提升，部分在松动过程中应断裂的导电通路其中一部分仍保持导通状态，从而减弱了电阻的变化幅度。该现象可通过压阻传感器的渗流模型进行解释，即在300 ℃条件下，CB质量分数为3%时对应的渗流曲线斜率小于室温下的斜率，反映出其灵敏度在高温环境下有所降低。整体测试结果表明，该压阻传感器在室温与300 ℃高温环境下均能实现对螺栓松动过程的稳定监测，展现出良好的热稳定性与压阻响应性能，具备在高温场景中的应用潜力。

结合上述试验结果与分析，将本文提出的传感器与现有压阻传感器进行了性能对比，如表7所示。现有压阻传感器在高温服役环境下螺栓松动监测中的应用仍存在温度适应性不足、监测量程有限以及与结构集成难度较大等问题。相比之下，本文提出的传感器在最高工作温度、监测压力范围及结构厚度等关键性能参数上实现了有效提升，兼具高温环境下的稳定性与良好的结构集成适应性，显示出较强的工程应用潜力，更适用于飞行器结构、航空发动机、燃气轮机等重大装备复杂服役环境下大尺寸螺栓连接结构的实时松动状态监测。

本文提出了一种适用于高温环境的基于CB/Al₂O₃/PI压阻传感器的螺栓松动监测技术，实现了在300 ℃高温条件下对大尺寸螺栓松动状态的稳定实时监测，主要取得以下研究成果。

（1）针对高温环境下螺栓松动监测的应用需求，本文通过对不同导电填料类型及其质量分数的系统测试，设计并制备了兼具热稳定性、耐久性与高灵敏度的压阻传感器。进一步引入Al₂O₃作为热稳定剂，有效提升了传感器在高温条件下的性能表现。同时，结合柔性电路一体化集成工艺技术，实现了传感器对外部压力变化的可靠响应。

（2）对传感器的灵敏度、重复性及可恢复性进行了系统评估。试验结果表明，该传感器对不同压力水平具有良好的响应分辨能力，在长时程循环加载条件下表现出优异的稳定性，并在加载–卸载过程中展现出显著的形变恢复性能，验证了其在螺栓松动监测中的应用可行性与工程适用性。

（3）开展了室温及300 ℃高温环境下的螺栓松动监测试验，系统研究了CB/Al₂O₃/PI压阻传感器在不同螺栓松动程度下的电阻响应特性。试验结果表明，传感器在室温与300 ℃高温环境中均呈现出一致的电阻变化趋势，且电阻变化量随螺栓松动程度的增加呈现出良好的线性关系，展现出较高的响应灵敏度。在监测范围方面，传感器可实现最高达100 N·m的螺栓扭矩松动识别，对应的压力量程可达34.30 MPa，进一步验证了该压阻传感器在高温等极端环境下开展螺栓松动监测的工程适用性与应用潜力。