应变测量新技术:“智能皮肤”可探测桥梁和飞

应变测量新技术:“智能皮肤”可探测桥梁和飞

时间:2020-03-24 05:03 作者:admin 点击:
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根据一项新的研究,由于碳纳米管具有一个独特的特性,工程师很快就能够通过这种材料来测量飞机,桥梁或管道中的累积应变 - 或者几乎任何东西 - 可在整个表面上或从微观水平上测量。

通过在涂有双层纳米管薄膜和保护性聚合物的结构上来实现这一目的。表面中的应变将表现为微型手持式读取器捕获的从碳纳米管薄膜发出的近红外光的波长的变化。

探测结果将向工程师和维护人员展示桥梁或飞机等结构是否因应力诱发事件或经常磨损而变形。

就像紫外线下的白色衬衫一样,单层碳纳米管会发出荧光,这是2002年化学家布鲁斯韦斯曼实验室发现的一种特性。在几年后的一项基础研究项目中,该小组表明拉伸纳米管会改变其荧光的颜色。

当Weisman的结果引起民用和环境工程师Satish Nagarajaiah的注意时,他一直在使用拉曼光谱独立研究类似的问题,但在宏观层面,自2003年以来 - 他建议他们一起合作将这种科学现象转化为有用的应变技术传感。

颜色变化

现在,Nagarajaiah和Weisman发表了一篇关于他们的“智能皮肤”项目的论文。第一个出现在 结构控制和健康监测中 ,并介绍了他们在2012年首次披露的最新技术。

它描述了一种与保护性顶层分开沉积微观纳米管传感膜的方法。纳米管发出的颜色变化表明下层结构中的应变量。研究人员说,它可以实现累积应变的二维映射,这是其他非接触方法无法实现的。

第二篇论文发表在 “结构工程杂志”上 ,详细介绍了在金属样品上测试这种智能皮肤的结果,这些金属样品的应力和应变通常集中在不规则处。

双层薄膜只有几微米厚,比人的头发还要细得多,这种薄膜在透明表面上几乎看不到。

“该项目最初是关于纳米管光谱的纯科学,经过了原理验证协同工作,表明我们可以通过在一个地方检查胶片的光谱来测量底层衬底的应变,”Weisman说,他是莱斯大学化学与材料科学与纳米工程教授。“这表明该方法可以扩展到测量整个表面。我们现在所展示的更接近实际应用。“

自初次报告以来,研究人员已经完善了胶片的组成和制备及其喷枪式应用,并开发了自动捕获多个程序点数据的扫描仪设备。与仅测量沿一个点的应变的传统传感器不同,研究人员可以探测智能薄膜以显示任何方向和位置的应变。

“在我们最初的设计中,纳米管传感器被混合到聚合物中,”机械工程,材料科学和纳米工程的土木与环境工程教授Nagarajaiah说。“现在我们将传感层和保护层分开,纳米管发出的信息更清晰,我们可以以更高的分辨率进行扫描。我们由此可以非常快速地捕获大量数据。“

出问题的地方

研究人员在张力下测试铝条上的智能皮肤,用孔或凹口来代表应变有可能发生的地方。在无应力状态下测量这些位置潜在的弱点,然后在施加应力之后再次测量这些弱点,显示出从逐点表面映射拼凑在一起的应变模式的显着变化。

“我们知道结构的高应力区域在哪里,潜在的问题点就在哪里,”Nagarajaiah说。“我们可以用薄膜覆盖这些区域并在健康状态下扫描它们,然后等事件发生后,回去重新扫描,看看应变分布是否发生变化,结构是否存在风险。”

“我们测量的点相距1毫米,但在必要时我们可以减小20倍而不会牺牲应变灵敏度......”

在他们的测试中,研究人员说测量结果与通过先进的计算模拟获得的应变模式非常接近。Nagarajaiah说,智能皮肤的读数使他们能够在高应力区域附近快速发现独特的图案。他们还能够看到拉伸和压缩应变区域之间的清晰边界。

“我们测量的点相距1毫米,但在必要时我们可以减小20倍而不会牺牲应变灵敏度,”Weisman说。他说,这是标准应变传感器的一次飞跃,它只能提供平均超过几毫米的读数。

研究人员看到他们的技术在应用方面取得了初步进展,例如在喷气发动机中测试涡轮机或在其开发阶段测试结构元件。“它不会立即取代所有现有的应变测量技术,”Weisman说。“老旧技术往往非常根深蒂固并具有很大的惯性。

“但是,当其他方法无法完成工作时,它具有的优势将会很有用,”他说。“我希望它能用于工程研究应用,以及在现场部署之前的结构设计和测试。”

凭借其智能皮肤的精致特点,研究人员正致力于开发下一代应变读取器,这是一种类似相机的设备,可以同时捕获大面积的应变模式。

海军研究办公室和韦尔奇基金会支持这项研究。

资料来源:莱斯大学