基于纳米管的应变传感智能皮肤，可监测大型结构的损伤情况
2022-07-18 20:26:47   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，莱斯大学（Rice University）开发了一种应变传感智能皮肤（strain-sensing smart skin，S4），采用非常微小的碳纳米管结构，能够监测或检测大型结构中的损伤，研究人员已在考虑推动该技术的产业化。

2012年，莱斯大学首次报道了一种“应变涂料”，它利用纳米管的荧光特性来显示表面因应力而出现的变形。

现在，作为被称为S4的非接触光学监测系统的一部分，这种多层涂层可以应用于大型表面（率先应用于桥梁、建筑物、船舶和飞机），在这些表面上，高应变会带来潜在风险。

该项目由莱斯大学化学家Bruce Weisman、结构工程师Satish Nagarajaiah以及主要作者、研究生Wei Meng领导，该项目源于Weisman在2002年发现半导体碳纳米管在近红外波段会吸收并发出荧光。随后，他开发了光学仪器来探索纳米管的物理和化学特性，包括在2008年研究的光谱应变效应。

2004年，Nagarajaiah独立提出并开发了一种非接触式光学应变传感器，这种传感器将碳纳米管薄膜和环氧树脂涂覆到结构件上，然后利用拉曼光谱进行探测。

2008年，Weisman和Nagarajaiah发现嵌入聚合物并与结构件结合的单壁碳纳米管会发生相同的应变，并可以通过它们的近红外荧光光谱变化进行光学检测，于是，两位各自独立的研究开始合并到一个共同项目中。他们在2012年的一篇论文中报道了这一发现。

“应变测量通常作为安全相关检查的一部分进行。”Weisman说，“技术人员一向比较谨慎，因为他们的测量必须可靠。因此，我们需要证明我们的方法与现有方法一样有效，从而帮助他们解决对新方法的疑虑。”

“本论文证明了我们的方法为什么可以成为一种重要的应变测量技术。”他说。关于这种下一代、非接触测量系统的详细介绍已发表于近期出版的Nature旗下Scientific Reports期刊。

应变映射主要依赖两种技术：附着在结构上的物理测量技术和数字图像相关法（DIC）（又称“数字散斑相关法”，是将试件变形前后的两幅数字图像，通过相关计算获取感兴趣区域的变形信息）。

Weisman说，他们的S4方案可以轻松经受DIC方案的对比考验。更好的是，这两种技术可以协同工作。“我们想与DIC方案进行直接比较，DIC是目前唯一商业化的应变映射方法。”他说，“它已经用于许多行业，人们对它有相当高的信心。”

Weisman解释称：“为了证明我们的方法可以和DIC媲美，并获得相似或更好的结果，我们设计了一种将S4和DIC结合起来的方法，这样两种技术可以同时使用，甚至可以相互补充。”

层状S4薄膜

利用S4方法测量2D应变图。在应力测试之前（左上）和之后（左下）对试样进行光栅扫描，以找到每个网格点处的光谱峰分离。然后将这些分离值逐点减去并除以光谱测量因子，以获得试样的应变图（右图）。

我们设计的这种应变传感智能皮肤本身有三层，其结构可以适应它们覆盖的表面。通常，首先喷涂含有DIC散斑的不透明底漆；第二层是透明的聚氨酯，将基底与纳米管隔离；最后，将悬浮在甲苯中的单独涂覆的纳米管传感层喷涂在顶部。甲苯蒸发后，留下一层亚微米厚的纳米管传感层，与结构件结合。此外，还可以在顶部涂上额外的保护层，使应变传感智能皮肤保持多年的寿命。

该系统还需要一个读取器，在这种情况下，需要一个小型可见激光来激发纳米管，并需要一个便携式光谱仪来观测它们的应变情况。

（a）带有S4涂层的丙烯酸试样正面；（b）带有附加应变片的丙烯酸试样背面；（c）试样加载和S4数据采集的实验装置。

Meng仔细地将S4方案与DIC及计算机模拟进行了比较，测试对象包括带孔或切口的工字钢，以及钻有孔以聚焦应变模式的混凝土块和铝板。在每种情况下，S4方案都提供了与DIC结果相当或更好的高分辨率、准确的应力试样视图。

采用S4和DIC测量的丙烯酸试样的彩色编码应变图，以及FEM模拟（上排：右侧有缺口的试样，下排：中心有孔的试样）

在混凝土测量中，遇到了光学挑战。“我们发现混凝土中的水泥具有固有的近红外发射，这会干扰我们的应变测量。”Nagarajaiah解释说，“我们花了大量时间，仔细研究了一种新的架构来阻断这些干扰信号。”

Weisman说：“与DIC相比，S4还有一个额外的优势，我们直到最近才意识到。事实上，要通过DIC方案获得良好的结果，需要操作人员具备高水平的专业知识。通过与相关厂商的交流得知，只有他们的工程师才有资质使用。获取数据很简单，但解释需要很多判断。”

“我们的方法就不一样了。”他说，“获取数据几乎同样容易，但S4应变映射图的分析是自动的。从长远来看，这将是一个重要优势。”

“我毫不怀疑这是一种最先进的应变映射方法。”Nagarajaiah说，“我们已经在由金属、塑料和混凝土制成的具有复杂微裂纹和表面以下损伤的结构件上进行了测试，证明在所有测试中都适用。我相信我们的方案已经达到了可以实施的阶段，我们正在与产业界接洽，以了解如何在实际应用中提供服务。”

总体来看，这项研究成果表明，S4应变测量方案作为无损评估和结构健康检测等现有技术的替代或补充方案，非常有前景，具有很重要的应用价值。

延伸阅读：

《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》