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近日,香港理工大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)了一種嶄新的納米復(fù)合材料傳感器,這種傳感器可直接噴涂于平坦或彎曲的工程結(jié)構(gòu),比如火車軌道和飛機(jī)結(jié)構(gòu)。噴涂出來的傳感器可以進(jìn)一步構(gòu)建成傳感器網(wǎng)絡(luò),為受監(jiān)測的結(jié)構(gòu)提供實時及豐富的結(jié)構(gòu)健康狀況信息。
納米復(fù)合材料傳感器由理大機(jī)械工程學(xué)系的蘇眾慶教授、周利民教授及以他們?yōu)槭椎膱F(tuán)隊研發(fā),采用創(chuàng)新的噴涂技術(shù)制成,使傳感器安裝過程比傳統(tǒng)方法更快捷和具效率。這種新技術(shù)也令該傳感器適用于多種工程結(jié)構(gòu)表面,提高了它的靈活性。
蘇教授說,該新型納米復(fù)合材料傳感器,能同時兼顧傳感器的成本及傳感器網(wǎng)絡(luò)所捕獲的數(shù)據(jù)量兩個因素,為實現(xiàn)原位振動感測、以超聲波為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)開辟了新思路。
新技術(shù)可減省成本提高靈敏度
納米復(fù)合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導(dǎo)電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成,可根據(jù)各種工程應(yīng)用的需要,輕易和靈活地制成不同的尺寸大小。
新的納米復(fù)合材料傳感器由于優(yōu)化了混合物的納米結(jié)構(gòu),能敏感地檢測到結(jié)構(gòu)的改變,它能識別納米復(fù)合材料對不同壓阻的回饋。
該新技術(shù)中,每一個傳感器都通過印刷在結(jié)構(gòu)上的電線連接到網(wǎng)絡(luò),透過分析和比較由電阻率轉(zhuǎn)換而成的電信號,便可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的缺陷,同時將信號轉(zhuǎn)換為三維圖像。
體重輕且成本低
據(jù)了解,這種傳感器重量極輕,而且制造成本低廉,可大量采用以檢測隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的問題,有助開創(chuàng)以超聲波為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新時代。
它包含一個傳感器網(wǎng)絡(luò),由多個納米復(fù)合材料傳感器及一個超聲波換能器組成,可主動探測安裝了該傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的健康狀況,快速及準(zhǔn)確地顯示該結(jié)構(gòu)是否有損壞。
傳感器會接收及量度超聲波換能器發(fā)出的超聲導(dǎo)波,如結(jié)構(gòu)有損壞,例如出現(xiàn)裂縫,超聲導(dǎo)波的傳播會受損壞的地方干擾,因而出現(xiàn)特有的波散射現(xiàn)象,并為傳感網(wǎng)絡(luò)所記錄。團(tuán)隊研發(fā)出來的一體化系統(tǒng),可基于超聲導(dǎo)波的散射準(zhǔn)確地檢測及量化結(jié)構(gòu)損壞的情況。
據(jù)悉,傳統(tǒng)超聲波傳感器采用壓電材料制作,成本是十多美元,重數(shù)克;而這個新一代納米復(fù)合材料傳感器的成本僅0.5美元,重0.04克。
因此,一個結(jié)構(gòu)可同時使用更多傳感器,以獲得更豐富的信息作分析,同時又不會給結(jié)構(gòu)帶來明顯的負(fù)重。
靈活性較好,可適用于彎曲結(jié)構(gòu)表面
此外,這款納米復(fù)合材料傳感器有極佳的靈活性,適用于彎曲的結(jié)構(gòu)表面,可廣泛地應(yīng)用在各種工程結(jié)構(gòu),即使是在移動結(jié)構(gòu)的表面亦同樣可以噴涂方式安裝,實時傳送結(jié)構(gòu)的健康信息。
蘇眾慶表示,已與內(nèi)地研究機(jī)構(gòu)取得聯(lián)系,未來將會把新技術(shù)用于航空結(jié)構(gòu)上。新聞資料圖
響應(yīng)頻率更廣闊
這款納米復(fù)合材料傳感器可量度由靜止至900千赫茲的微小幅度的超聲波信號。這技術(shù)能在超聲波系統(tǒng)采集散射波,從而檢測大部份工程物料中微細(xì)至一至二毫米的裂縫,響應(yīng)頻率比現(xiàn)有納米復(fù)合材料傳感器(根據(jù)國際期刊現(xiàn)有的報道)的響應(yīng)頻率高出400多倍。
雖然傳統(tǒng)超聲波傳感器可量度的超聲波范圍,比這款納米復(fù)合材料傳感器的響應(yīng)頻率更廣闊,但傳統(tǒng)傳感器的重量及成本均較高,難以大量使用構(gòu)成大型傳感器網(wǎng)絡(luò),故此只能帶來有限的數(shù)據(jù)資料。在眾多工程實際應(yīng)用中,特別是針對航空航天結(jié)構(gòu),使用有很大的限制。
編輯點(diǎn)評
隨著納米科技的快速發(fā)展,納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理的或化學(xué)的方法,在宏觀和微觀上組成具有新性能的材料。在性能上,各種具有協(xié)同效應(yīng)的納米材料互相補(bǔ)充,表現(xiàn)出來的綜合性能使得納米復(fù)合材料優(yōu)于原納米復(fù)合材料。該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、選擇性、檢測線性范圍寬,可用于人體血糖樣品的分析和檢測。
(原標(biāo)題:香港理工大學(xué)造出低成本高靈敏度的可噴涂傳感器)