“智能皮肤”简化了结构中的斑点应变

由于碳纳米管的一个独特特征，工程师很快就能够测量飞机，桥梁或管道(或几乎任何东西)在整个表面或微观层面上的累积应变。

他们将通过将光照射到涂有双层纳米管薄膜和保护性聚合物的结构上来实现。表面应变将表现为从薄膜发出的近红外光波长的变化，并由微型手持阅读器捕获。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。

就像在紫外线下的白色衬衫一样，单壁碳纳米管发出荧光，这是2002年在Rice化学家Bruce Weisman实验室发现的一种特性。在几年后的基础研究项目中，该小组表明拉伸纳米管会改变其荧光的颜色。

当Weisman的结果引起赖斯民间和环境工程师Satish Nagarajaiah的注意时，他一直在使用拉曼光谱法独立研究类似的想法，但在宏观层面，自2003年以来 - 他建议合作将这种科学现象转化为一种有用的技术应变传感。

现在，Nagarajaiah和Weisman已经发表了一篇关于他们的“智能皮肤”项目的重要论文。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。纳米管发射的颜色变化表明下层结构中的应变量。研究人员表示，它可以实现累积应变的二维映射，这是任何其他非接触方法都无法实现的。

第二篇论文在“结构工程杂志”中详细介绍了在金属样品上测试智能皮肤的结果，这些金属样品的应力和应变通常集中在不规则处。“该项目最初是关于纳米管光谱学的纯科学，并且导致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。“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，研究人员已经改进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编程点数据的扫描仪设备。与仅测量沿一个轴的一点处的应变的传统传感器不同，可以选择性地探测智能膜以显示任何方向和位置的应变。

双层薄膜只有几微米厚，是人类头发宽度的一小部分，在透明表面上几乎看不到。“在我们最初的电影中，纳米管传感器被混合到聚合物中，”Nagarajaiah说。“现在我们已经将传感层和保护层分开，纳米管发射更清晰，我们可以以更高的分辨率进行扫描。这使我们可以非常快速地捕获大量数据。”

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趋于建立的地方。在无应力状态下测量这些潜在的弱点，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，潜在的失败点，”Nagarajaiah说。“我们可以用胶片覆盖这些区域并在健康状态下扫描它们，然后在发生地震等事件后，返回并重新扫描，看看应变分布是否发生变化，结构是否存在风险。”在他们的测试中，研究人员表示，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利基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。“技术往往非常根深蒂固，并且有很多惯性。

“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。”凭借其精致的皮肤精炼，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，可以同时捕获大表面上的应变模式。两篇论文的共同作者是赖斯博士后研究人员彭孙和林庆伟以及研究科学家谢尔盖巴奇洛。Weisman是化学，材料科学和纳米工程的教授。Nagarajaiah是土木与环境工程，机械工程，材料科学和纳米工程的教授。

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