Исследователи используют флуоресцирующие углеродные нанотрубки для проявления стресса в структурах

В результате одной из необычных особенностей углеродных нанотрубок инженеры могут в скором времени измерить накопленную деформацию в любом месте от мостов и самолетов до трубопроводов на всей поверхности или до микроскопических уровней.

Экспериментальная (левая) и смоделированная (правая) деформация карт вокруг отверстия через алюминиевую полосу показывают, что нанотрубка «Умная кожа», разработанная в Университете Райса, может эффективно оценивать деформацию материалов. Эта техника может использоваться для самолетов, космических аппаратов и критических инфраструктур, в которых необходимо контролировать механическое напряжение. (Предоставлено группой Satish Nagarajaiah Group / Weisman Research Group)

Они достигнут этого, освещая свет на структурах, покрытых двухслойной пленкой из нанотрубок и защитного полимера. Штамм на поверхности будет подвергаться изменениям в длинах волн ближнего инфракрасного излучения, выгружаемых из пленки и захваченных миниатюрным ручным считывателем. Результаты покажут экипажам и инженерам технического обслуживания, были ли деформированы конструкции, такие как самолеты или мосты, из-за стрессовых событий или стандартного износа.

Подобно белой рубашке под ультрафиолетом, одностенные углеродные нанотрубки флуоресцируют, свойство, обнаруженное в 2002 году в лаборатории химика Райса Брюса Вейсмана. В ходе простого исследовательского проекта несколько лет спустя команда продемонстрировала, что растяжение нанотрубки меняет цвет ее флуоресценции.

Когда результаты Вейсмана были прочитаны Райсом гражданским и экологическим инженером Сатишем Нагараджайей, который работал индивидуально по смежным идеям с использованием рамановской спектроскопии, но в макромасштабе с 2003 года он предложил сотрудничать, чтобы превратить это научное событие в полезную технологию для определения деформации.

В настоящее время Нагараджая и Вейсман опубликовали пару важных статей об их проекте «умной кожи». Первое из них можно прочитать в «Структурный контроль и мониторинг состояния здоровья» и представляет последнюю итерацию технологии, которую они впервые опубликовали в 2012 году.

Он иллюстрирует технику размещения микроскопической наноразмерной пленки, снимающей пленку, отдельно от защитного верхнего слоя. Изменения цвета в эмиссии нанотрубок определяют величину деформации в базовой структуре. Ученые говорят, что это позволяет двумерное картирование накопленной деформации, которая не может быть достигнута никакими другими бесконтактными методами.

Вторая статья в Journal of Structural Engineering охватывает результаты тестирования умной кожи на металлических образцах с неоднородностями, где напряжение и деформация неоднократно концентрируются.

«Проект начался как чистая наука о спектроскопии нанотрубок и привел к совместной работе по доказательству принципа, которая показала, что мы можем измерить деформацию подстилающего субстрата, проверяя спектр пленки в одном месте , " Вейсман сказал. « Это показало, что метод может быть расширен для измерения целых поверхностей. То, что мы показали сейчас, намного ближе к этому практическому применению ».

После предварительного доклада ученые улучшили состав и подготовку пленки и ее приложение в стиле аэрографии, а также создали устройства сканера, которые автоматически захватывают данные из нескольких запрограммированных точек. В отличие от обычных датчиков, которые просто измеряют деформацию в одной точке вдоль одной оси; интеллектуальную пленку можно выборочно исследовать, чтобы выявить деформацию в любом месте и направлении.

Двухслойная пленка толщиной всего в несколько микрон, доля ширины человеческого волоса и едва заметна на прозрачной поверхности. «В наших начальных пленках датчики нанотрубок были смешаны с полимером», – сказал Нагараджайя. « Теперь, когда мы разделили чувствительные и защитные слои, излучение нанотрубок становится яснее, и мы можем сканировать с гораздо более высоким разрешением. Это позволяет нам довольно быстро записывать значительные объемы данных ».

Ученые испытали умную кожу на алюминиевых стержнях под натяжением с выемкой или отверстием, чтобы обозначить места, где напряжение накапливается. Измерение этих вероятных слабых пятен в их безударном состоянии, а затем снова после приложения напряжения выявило значительные изменения в образцах деформаций, собранных вместе из точечного картирования поверхности.

Мы знаем, где области высокой напряженности структуры, потенциальные точки отказа . Мы можем покрыть эти области пленкой и отсканировать их в здоровом состоянии, а затем после события, подобного землетрясению, вернуться назад и повторить сканирование, чтобы увидеть, изменилось распределение деформации, и структура подвержена риску.

Сатиш Нагараяха, инженер по гражданским вопросам и охране окружающей среды, профессор гражданской и экологической инженерии, машиностроения, материаловедения и наноинженерии, Университет Райса.

В своих тестах ученые сказали, что измеренные результаты были близки к деформациям, полученным с помощью передовых вычислительных симуляций. По словам Нагараджаии, чтения из умной кожи позволили им быстро обнаружить отличительные узоры возле областей с высоким напряжением. Они также смогли наблюдать яркие границы между областями растяжения и сжатия.

Мы измерили точки на расстоянии 1 миллиметр друг от друга, но при необходимости мы можем пойти в 20 раз меньше, не жертвуя чувствительностью к деформации.

Брюс Вейсман, профессор химии, материаловедения и наноинженерии, Университет Райса.

Это прыжок через обычные датчики деформации, которые показывают только показания, усредненные на несколько миллиметров, сказал он.

Ученые видят, что их технология делает предварительные наработки в нишевых приложениях, таких как изучение турбин в реактивных двигателях или структурных элементах на этапах их формирования. «Он не заменит все существующие технологии для измерения деформации сразу», – сказал Вейсман. «Технологии, как правило, очень укоренились и имеют много инерции».

«Но у этого есть преимущества, которые окажутся полезными, когда другие методы не смогут выполнить эту работу», – сказал он. «Я ожидаю, что он найдет применение в технических исследованиях, а также при проектировании и тестировании структур до их развертывания в поле».

С улучшенной умственной кожей ученые стремятся разработать следующее поколение устройства для считывания напряжений – камеры, подобного устройству, способному одновременно снимать деформации на большой поверхности.

Соавторами обеих работ являются докторанты Райса Пэн Сун и Чинг-Вэй Лин и научный сотрудник Сергей Бачило. Вейсман – профессор химии, материаловедения и наноинженерии. Нагараджайя – профессор гражданской и экологической инженерии, машиностроения, материаловедения и наноинженерии.

Исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований и Фондом Уэлша.

Source link