萊斯大學(xué)開發(fā)的應(yīng)變感應(yīng)智能皮膚使用非常小的結(jié)構(gòu)(碳納米管)來監(jiān)測(cè)和檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)中的損傷，現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒。賴斯于 2012 年首次揭示的“應(yīng)變涂料”利用納米管的熒光特性來顯示表面何時(shí)因應(yīng)力而變形。

現(xiàn)在作為 S4 非接觸式光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分開發(fā)，這種多層涂層可應(yīng)用于大型表面——橋梁、建筑物、船舶和飛機(jī)，首先是高應(yīng)變構(gòu)成無形威脅的地方。

由水稻化學(xué)家 Bruce Weisman、結(jié)構(gòu)工程師 Satish Nagarajaiah 和主要作者兼研究生 Wei Meng 領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目源于 Weisman 2002 年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體碳納米管在近紅外波長(zhǎng)發(fā)出熒光。隨后，他于 2008 年開發(fā)了光學(xué)儀器來探索納米管的物理和化學(xué)特性，包括光譜應(yīng)變效應(yīng)。

對(duì)亞克力應(yīng)變下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較顯示，左側(cè)萊斯大學(xué)的 S4 系統(tǒng)比右側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字圖像相關(guān) (DIC) 提供了更詳細(xì)的讀數(shù)。圖片來源：Nagarajaiah 和 Weisman 研究小組/萊斯大學(xué)

2004 年，Nagarajaiah 獨(dú)立提出并開發(fā)了一種非接觸式光學(xué)應(yīng)變傳感器，該傳感器使用碳納米管薄膜與環(huán)氧樹脂結(jié)合到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，并通過拉曼光譜進(jìn)行探測(cè)。

他們的獨(dú)立研究路徑在 2008 年合并為一個(gè)共同項(xiàng)目，當(dāng)時(shí) Weisman 和 Nagarajaiah 發(fā)現(xiàn)嵌入聚合物中并與結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)合的單壁碳納米管將經(jīng)歷相同的應(yīng)變，并且可以通過其近紅外光譜的變化進(jìn)行光學(xué)報(bào)告熒光。他們?cè)?012 年的一篇論文中報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)。

“應(yīng)變測(cè)量通常作為安全相關(guān)檢查的一部分進(jìn)行，”韋斯??曼說。“那個(gè)技術(shù)社區(qū)是理所當(dāng)然的保守，因?yàn)樗麄兊臏y(cè)量必須是可靠的。所以我們需要通過證明我們的方法與現(xiàn)有方法一樣有效來克服對(duì)新方法的懷疑。

“這篇論文展示了我們的方法作為一種嚴(yán)肅的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的憑據(jù)，”他說。

下一代非接觸式系統(tǒng)的詳細(xì)信息出現(xiàn)在科學(xué)報(bào)告中。

應(yīng)變映射依賴于兩種技術(shù)：附著在結(jié)構(gòu)上的物理量規(guī)和數(shù)字圖像相關(guān)性 (DIC)，用于比較隨時(shí)間推移拍攝的帶有嵌入式“斑點(diǎn)”的表面圖像。

萊斯大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了覆蓋有應(yīng)變感應(yīng)智能皮膚的材料。多層涂層包含碳納米管，當(dāng)受到應(yīng)變時(shí)會(huì)發(fā)出熒光，與下方材料所承受的應(yīng)變相匹配。圖片來源：Jeff Fitlow / 萊斯大學(xué)

Weisman 說 S4 很容易經(jīng)受住 DIC 的考驗(yàn)。更好的是，這兩種技術(shù)可以一起工作。“我們想與 DIC 進(jìn)行直接比較，這是目前唯一商業(yè)化的應(yīng)變繪圖方法，”他說。“它被用于許多行業(yè)，人們對(duì)它有相當(dāng)高的信心。

“為了證明我們的方法可以與之并存并獲得相似或更好的結(jié)果，Wei 設(shè)計(jì)了一種結(jié)合 S4 和 DIC 的方法，因此這兩種技術(shù)可以同時(shí)使用，甚至可以相互補(bǔ)充，”Weisman 說。

皮膚本身有三層，它們的配置與它們所覆蓋的表面相適應(yīng)。通常，首先涂上含有 DIC 斑點(diǎn)的不透明底漆。第二層是透明的聚氨酯，將基體與納米管隔離開來。最后，將懸浮在甲苯中的單獨(dú)涂層納米管的傳感層噴涂在頂部。甲苯蒸發(fā)，留下一個(gè)亞微米厚的納米管傳感層與結(jié)構(gòu)元件結(jié)合?？梢栽陧敳繎?yīng)用額外的保護(hù)層，以保持皮膚多年活躍。

該系統(tǒng)還需要一個(gè)閱讀器，在這種情況下，一個(gè)小的可見激光來激發(fā)納米管和一個(gè)便攜式光譜儀來查看它們是如何應(yīng)變的。

Meng 仔細(xì)地將 S4 與 DIC 和計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了比較，在帶有孔或切口的 I 形丙烯酸棒以及在混凝土塊和鋁板上鉆有孔以聚焦應(yīng)變模式的測(cè)試中。在每種情況下，S4 都能提供與同時(shí) DIC 結(jié)果相當(dāng)或更好的受壓試樣的高分辨率、準(zhǔn)確視圖。

測(cè)量混凝土提出了光學(xué)挑戰(zhàn)。“我們發(fā)現(xiàn)混凝土中的水泥具有固有的近紅外發(fā)射，這會(huì)干擾我們的應(yīng)變測(cè)量，”Nagarajaiah 說。“魏花費(fèi)了大量時(shí)間，特別是在大流行期間，仔細(xì)研究了一種新的架構(gòu)來阻止這些信號(hào)。”

他說，與通常的白色基底層不同，黑色基底層也能起到斑點(diǎn)的作用。

“與 DIC 相比，S4 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是我們直到最近才意識(shí)到的，”Weisman 說。“這就是事實(shí)，要從 DIC 獲得良好的結(jié)果，需要操作員具有高水平的專業(yè)知識(shí)。公司告訴我們，只有他們的工程師才有資格使用它。獲取數(shù)據(jù)很簡(jiǎn)單，但解釋需要很多的判斷。

“我們的方法完全不同，”他說。“獲取數(shù)據(jù)幾乎一樣容易，但獲得 S4 應(yīng)變圖的分析是自動(dòng)的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這將是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。”

“我毫不懷疑這是一種最先進(jìn)的應(yīng)變映射方法，”Nagarajaiah 說。“我們已經(jīng)在由金屬、塑料和混凝土制成的具有復(fù)雜微裂紋和地下?lián)p傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，它適用于所有情況。我相信我們已經(jīng)達(dá)到了可以實(shí)施的階段，我們正在參與與行業(yè)一起了解它如何幫助他們。”

水稻研究科學(xué)家 Sergei Bachilo 和研究生 Ashish Pal 是該研究的合著者。Weisman 是化學(xué)教授、材料科學(xué)和納米工程教授。Nagarajaiah 是土木與環(huán)境工程、材料科學(xué)和納米工程以及機(jī)械工程的教授。

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