应变感应智能皮肤准备部署

莱斯大学开发的应变感应智能皮肤使用非常小的结构(碳纳米管)来监测和检测大型结构中的损伤，现已准备就绪。赖斯于 2012 年首次揭示的“应变涂料”利用纳米管的荧光特性来显示表面何时因应力而变形。

现在作为 S4 非接触式光学监测系统的一部分开发，这种多层涂层可应用于大型表面——桥梁、建筑物、船舶和飞机，首先是高应变构成无形威胁的地方。

由水稻化学家 Bruce Weisman、结构工程师 Satish Nagarajaiah 和主要作者兼研究生 Wei Meng 领导的项目源于 Weisman 2002 年发现半导体碳纳米管在近红外波长发出荧光。随后，他于 2008 年开发了光学仪器来探索纳米管的物理和化学特性，包括光谱应变效应。

对亚克力应变下的测量结果进行比较显示，左侧莱斯大学的 S4 系统比右侧的标准数字图像相关 (DIC) 提供了更详细的读数。图片来源：Nagarajaiah 和 Weisman 研究小组/莱斯大学

2004 年，Nagarajaiah 独立提出并开发了一种非接触式光学应变传感器，该传感器使用碳纳米管薄膜与环氧树脂结合到结构构件上，并通过拉曼光谱进行探测。

他们的独立研究路径在 2008 年合并为一个共同项目，当时 Weisman 和 Nagarajaiah 发现嵌入聚合物中并与结构构件结合的单壁碳纳米管将经历相同的应变，并且可以通过其近红外光谱的变化进行光学报告荧光。他们在2012 年的一篇论文中报告了这一发现。

“应变测量通常作为安全相关检查的一部分进行，”韦斯​​曼说。“那个技术社区是理所当然的保守，因为他们的测量必须是可靠的。所以我们需要通过证明我们的方法与现有方法一样有效来克服对新方法的怀疑。

“这篇论文展示了我们的方法作为一种严肃的应变测量技术的凭据，”他说。

下一代非接触式系统的详细信息出现在科学报告中。

应变映射依赖于两种技术：附着在结构上的物理量规和数字图像相关性 (DIC)，用于比较随时间推移拍摄的带有嵌入式“斑点”的表面图像。

莱斯大学的一个实验室测试了覆盖有应变感应智能皮肤的材料。多层涂层包含碳纳米管，当受到应变时会发出荧光，与下方材料所承受的应变相匹配。图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学

Weisman 说 S4 很容易经受住 DIC 的考验。更好的是，这两种技术可以一起工作。“我们想与 DIC 进行直接比较，这是目前唯一商业化的应变绘图方法，”他说。“它被用于许多行业，人们对它有相当高的信心。

“为了证明我们的方法可以与之并存并获得相似或更好的结果，Wei 设计了一种结合 S4 和 DIC 的方法，因此这两种技术可以同时使用，甚至可以相互补充，”Weisman 说。

皮肤本身有三层，它们的配置与它们所覆盖的表面相适应。通常，首先涂上含有 DIC 斑点的不透明底漆。第二层是透明的聚氨酯，将基体与纳米管隔离开来。最后，将悬浮在甲苯中的单独涂层纳米管的传感层喷涂在顶部。甲苯蒸发，留下一个亚微米厚的纳米管传感层与结构元件结合。可以在顶部应用额外的保护层，以保持皮肤多年活跃。

该系统还需要一个阅读器，在这种情况下，一个小的可见激光来激发纳米管和一个便携式光谱仪来查看它们是如何应变的。

Meng 仔细地将 S4 与 DIC 和计算机模拟进行了比较，在带有孔或切口的 I 形丙烯酸棒以及在混凝土块和铝板上钻有孔以聚焦应变模式的测试中。在每种情况下，S4 都能提供与同时 DIC 结果相当或更好的受压试样的高分辨率、准确视图。

测量混凝土提出了光学挑战。“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 说。“魏花费了大量时间，特别是在大流行期间，仔细研究了一种新的架构来阻止这些信号。”

他说，与通常的白色基底层不同，黑色基底层也能起到斑点的作用。

“与 DIC 相比，S4 的另一个优势是我们直到最近才意识到的，”Weisman 说。“这就是事实，要从 DIC 获得良好的结果，需要操作员具有高水平的专业知识。公司告诉我们，只有他们的工程师才有资格使用它。获取数据很简单，但解释需要很多的判断。

“我们的方法完全不同，”他说。“获取数据几乎一样容易，但获得 S4 应变图的分析是自动的。从长远来看，这将是一个优势。”

“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地下损伤的结构构件上对其进行了测试，它适用于所有情况。我相信我们已经达到了可以实施的阶段，我们正在参与与行业一起了解它如何帮助他们。”

水稻研究科学家 Sergei Bachilo 和研究生 Ashish Pal 是该研究的合著者。Weisman 是化学教授、材料科学和纳米工程教授。Nagarajaiah 是土木与环境工程、材料科学和纳米工程以及机械工程的教授。

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