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山科大劉成寶教授 Mater. Horiz.：基于超分子可視化智能傳感器的海洋鋼結構劣化監測

2024-12-19 13:21:32 作者：高分子科技來源：高分子科技分享至：

先進材料是海洋鉆井平臺、油氣管道和風力渦輪機等設備高性能和可靠性的基礎。然而，金屬材料在海洋環境中易腐蝕和磨損，長期使用可能導致微小損傷演變為宏觀缺陷，從而導致設備失效。因此，及時監測微損傷并量化失效程度對保障設備安全至關重要。結構健康監測（SHM）技術利用傳感器檢測工程結構的物理和化學特性變化，以評估其健康狀況。盡管現有磁場、聲波和紅外傳感器已經開發，但在復雜的海洋環境中成本高且難以大范圍應用。近年來，基于聚合物的SHM材料因其柔韌性和便捷安裝受到關注。壓阻復合材料通過電導率變化檢測損傷，但難以精確定位腐蝕，亟需新技術來準確監測局部腐蝕位置和趨勢。自預警的高分子聚合物能對環境化學成分變化作出響應，金屬腐蝕伴隨金屬離子富集和酸堿度變化。引入功能性腐蝕探針可實現局部腐蝕的視覺檢測，但現有涂層多為定性診斷，缺乏定量信息。因此，開發兼顧視覺檢測以及腐蝕定量分析的新型自預警材料顯得尤為重要。

山東科技大學材料腐蝕與保護團隊劉成寶教授，近年來圍繞損傷多尺度預警與多途徑修復功能防腐涂層方面展開研究。提出了基于腐蝕離子識別策略構筑局部腐蝕自預警自修復防腐涂層材料(ACS Appl. Polym. Mater. 2022, 4, 6067-6079; Nanoscale, 2022, 14, 8429; J. Ind. Eng. Chem. 2023, 118, 109-118)；通過刺激響應微膠囊對腐蝕微環境響應生色原理預警界面腐蝕（Prog. Org. Coat. 2024, 186, 108043）。系統研究了界面腐蝕直至損傷修復的鋼結構腐蝕檢測過程，實現了對聚合物涂層早期失效演變過程的有效預警。在上述研究基礎上，山東科技大學劉成寶近期在《Materials Horizons》期刊發表“Flexible, Self-healing and Portable Supramolecular Visualization Smart Sensors for Monitoring and Quantifying Structural Damage”研究論文，為此，該研究開發了一種創新的超分子視覺化智能傳感器（AP-SHM），用于監測和定量評估海洋鋼結構局部腐蝕反應。該傳感器通過將負載NH₂-Phen的功能性腐蝕探針引入聚脲(PU)樹脂中，結合圖像采集設備（如手機攝像頭）實現腐蝕失效的精確量化識別。與現有的自預警涂層不同，AP-SHM不僅可作為涂層使用，還可作為柔性檢測貼片，適用于金屬表面的腐蝕檢測。傳感器中的多重動態氫鍵賦予其自愈能力，同時傳感器的光學反饋信號可被肉眼直接識別讀取，通過將傳感器圖像輸入自主開發軟件中可進一步量化腐蝕率、分布及損傷尺度。這一創新性監測策略為下一代結構健康監測材料的設計與開發提供了重要啟示。

為實現海洋環境中金屬設備的早期結構健康診斷和腐蝕可視化監測，開發了一種可拉伸的超分子SHM傳感器。該傳感器由腐蝕探針NPSi和PU彈性體組成，NPSi通過非共價作用與PU鏈結合，增強了材料的機械性能，并賦予其自愈合能力，能在高鹽度、多濕度、多溫度環境中使用。傳感器可作為涂層(Coating)或貼片(Patch)，用于設備全生命周期的全場監測或局部實時診斷。通過捕捉Fe²⁺-NH₂-Phen配合物的顏色變化，傳感器實現了從腐蝕動力學到顏色信號的轉化。同時，傳感器具備離子識別特性，可制成離子響應測試條（FeTP Strip），通過比色法間接監測金屬結構健康。圖像采集設備可記錄傳感器的響應結果，并通過軟件實時評估結構損傷規模、劣化狀態及局部腐蝕情況。該研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金經費支持。論文第一作者是山東科技大學材料科學與工程學院2022級碩士研究生焦德志，劉成寶教授為論文通訊作者。

圖1 AP-SHM柔性貼片和FeTP條的應用，以及結構失效信息的半定量轉化過程。

圖2 FeTP鐵離子靶向試紙離子響應表征。

圖3 AP-SHM傳感器中腐蝕智能分析的示意圖及腐蝕關系構建。

圖4 AP-SHM超分子探測器的離子響應測試及海邊暴露測試。

圖5 AP-SHM超分子探測器嚴苛環境下的長期適應性。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D4MH01233J

作者簡介：

劉成寶，男，中共黨員，畢業于中國科學院大學，現為山東科技大學材料科學與工程學院學術教授、碩士生導師。一直從事海洋及苛刻環境下材料損傷失效機理、新型耐蝕防護材料設計理論與應用技術研究，包括特殊工況下防護涂層服役行為及延壽機制、涂層損傷原位檢測及可視化技術、自修復、導熱、抗結冰等功能復合涂層結構設計等。目前已在Materials Horizons, Corrosion Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Magnesium and Alloys等期刊上發表科研論文40余篇；已授權PCT發明專利1項，國內發明專利3項。授權軟件著作權2項。入選山東科技大學“菁英計劃”A類人才支持，青島市“金種子”人才支持。主持了國家自然科學基金、山東省自然科學基金、海洋涂料國家重點實驗室開放課題及企業橫向等項目。參與編寫《石墨烯改性功能涂料》專著。擔任《稀有金屬》青年編委，中國腐蝕與防護學會會員，山東省腐蝕與防護學會理事，青島市腐蝕與防護學會理事。