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新型纳米复合材料超声检测传感器

  近期,来自香港理工大学(PolyU)的研究小组开发出了一种新型纳米复合材料传感器,该传感器可以直接喷涂在平面或弯曲的工程结构表面,例如火车轨道和飞机结构件上等。这种可喷涂的传感器可以连接到互联网,以提供大量有关被监测结构的健康状况的实时信息。

  由于其重量轻、制造成本低,因此在传感器网络中可以部署大量的该类传感器,用于检测结构中的隐藏缺陷,从而有望为基于超声无损检测技术的结构健康监测新时代的到来铺平道路。

  

  这种纳米复合材料传感器可直接喷涂在平面或曲面工程结构上;来源:香港理工大学

  该纳米复合材料传感器由香港理工大学机械工程学院Su Zhongqing教授和Zhou Limin教授领导的研究小组开发,其中采用了创新的喷涂制造技术,使得传感器的安装工艺比传统方法更加方便、快捷、高效,并且还适用于各种不同类型的表面,灵活性非常高。

  目前,用于原位监测的常规超声波传感器,例如由锆钛酸铅(PZT)制成的压电传感器,通常都会受到传感器成本和重量等相关因素的限制。这些传感器一般都是刚性的(难以适应弯曲的结构表面),而且还会显著增加结构的附加重量与体积。

  而由香港理工大学开发的这种新型纳米复合材料传感器比传统传感器具有更低的制造成本和以及更轻的重量,有助于形成可用于结构健康监测的密集传感器网络。并且,这种新型可喷涂式传感器可以实现大量制造。

  据Su Zhongqing教授介绍:

  “该新型纳米复合材料传感器在‘传感成本’和‘传感效能’之间取得了有效平衡,它能同时兼顾传感器的成本及传感器网络所捕获的数据量两个因素,为实现原位振动感测、基于超声波技术的结构健康监测技术开辟了新的思路”。

  成本&质量

  这种创新传感技术包含了一个传感器网络,由多个可喷涂纳米复合材料传感器和一个超声波换能器组成,可以主动检测固定结构的健康状况,并且快速准确地显示出结构是否含有任何形式的损坏。纳米复合材料传感器会接收及度量超声波换能器发出的超声导波(guided ultrasonic waves,GUWs),如果被监测结构出现损坏情况,例如出现裂纹,超声导波的传播会受损坏位置干扰,因而出现特有的波散射现象,并且被传感器网络记录下来。该研究团队研发的这种一体化系统,可基于超声导波的散射情况准确地检测及量化被检测结构的损坏情况。

  

  由纳米复合材料传感器形成的表面传感器网络;来源:sciencedirect

  与传统的超声波传感器(每个成本超过10美元,重量大约为几克)相比,这种新型纳米复合材料传感器的成本仅为0.5美元,重量也仅为0.04克。因此,在不增加整体重量的前提下,可以在一个结构中采用更多的这种新型传感器,为结构分析产生更多的有用信息。此外,这种新型传感器具有非常好的灵活性,可适用于具有曲面结构的表面,其实际工程应用范围将更加广泛;它还可以喷涂在运动结构的表面上,以实时监测的方式传输结构健康信息。

  响应频率

  该新型传感器可以测量由静态到高达900 kHz微小幅度的超声信号,能够在超声波系统中采集散射波信号,从而检测大部分工程物料中细微至1~2毫米的裂纹等结构缺陷,此外,其响应频率比现有的纳米复合材料传感器(据国际期刊报道)的响应频率要高出400多倍。

  虽然传统的超声波传感器可量度的超声波范围比这种新型传感器的更广,但传统传感器的重量及成本均较高,难以大量使用构成大型传感器网络,为用户带来的数据资料也就很有限,在众多工程实际应用中,特别是航空航天等领域的大型结构,则会显示出更大的局限性。

  灵敏度

  该新型纳米复合材料传感器主要由炭黑材料(CB)、二维石墨烯、导电纳米级颗粒和聚偏二氟乙烯(PVDF)混合而成,并且可以根据不同的工程应用灵活地量身定制出不同的尺寸。

  该传感器对被监测结构的细微变化具有高度的灵敏度。是因为研究人员对其纳米结构进行了有效优化,使其具有识别纳米复合材料压阻变化的显著能力。团队对材料的组成做了大量测试,以优化纳米复合材料的导电率,从而度量及分析压阻的变化。

  每个传感器通过印制在结构上的导线进而连接到网络,通过分析和比较由电阻率转换而成的电信号,便可以发现结构中存在的缺陷,同时将信号转换为三维图像。

  

  利用纳米复合材料传感器获取玻璃纤维/环氧复合材料束振动信号的实验装置;来源:sciencedirect

  这项研究成果已经发表在该领域的多本权威期刊上,包括《Ultrasonics》、《Carbon》以及《Smart Materials and Structures》。

  “由于具有更大的响应带宽,更低的制造成本,更轻的质量以及更多的功能,这种新型纳米复合材料传感器可以应用于火车和飞机等移动结构上,这将为未来实时监控这些结构铺平道路,并且还有助于提高工程资产的安全性,并改进传统的系统维护理念”,Su教授这样说道。

  来源:香港理工大学

  译者:Vince

  译自:sciencedaily

 

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