香港理工大學研發出可噴涂傳感器，低成本、高靈敏度，快速實時監測工程結構！
2017-07-12 14:44:08
作者：本網整理 來源： 高分子科學前沿
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據悉，香港理工大學的研究團隊最近研發了一種嶄新的納米復合材料傳感器，可直接噴涂于平坦或彎曲的工程結構，如火車路軌和飛機結構。噴涂出來的傳感器可以進一步構成傳感器網絡，為受監測的結構提供實時及豐富的結構健康狀況信息。
納米復合材料傳感器由理大機械工程學系的蘇眾慶教授、周利民教授及以他們為首的團隊研發，采用創新的噴涂技術制成，使傳感器安裝過程比傳統方法更快捷和具效率。這種新技術也令該傳感器適用于多種工程結構表面，提高了它的靈活性。
‘ 蘇教授說：“該新型納米復合材料傳感器在‘傳感成本’和‘傳感成本’之間取得了平衡，能同時兼顧傳感器的成本及傳感器網絡所捕獲的數據量兩個因素，為實現原位振動感測、以超聲波為基礎的結構健康監測技術開辟了新思路。！”
新技術減省成本及提高靈敏度
納米復合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成，可根據各種工程應用的需要，輕易和靈活地制成不同的尺寸大小。
新的納米復合材料傳感器由于優化了混合物的納米結構，能敏感地偵測到結構的改變，它能識別納米復合材料對不同壓阻的回饋。
該新技術中，每一個傳感器都通過印刷在結構上的電線連接到網絡，透過分析和比較由電阻率轉換而成的電信號，便可發現結構中的缺陷，同時將信號轉換為三維圖像。
體重輕且成本低
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構內部的問題，有助開創以超聲波為基礎的結構健康監測新時代。
它包含一個傳感器網絡，由多個納米復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絡的結構的健康狀況，快速及準確地顯示該結構是否有損壞。
傳感器會接收及量度超聲波換能器發出的超聲導波，如結構有損壞，例如出現裂縫，超聲導波的傳播會受損壞的地方干擾，因而出現特有的波散射現象，并為傳感網絡所記錄。
團隊研發出來的一體化系統，可基于超聲導波的散射準確地檢測及量化結構損壞的情況。
據悉，傳統超聲波傳感器采用壓電材料制作，成本是十多美元，重數克；而這個新一代納米復合材料傳感器的成本僅0.5美元，重0.04克。
因此，一個結構可同時使用更多傳感器，以獲得更豐富的信息作分析，同時又不會給結構帶來明顯的負重。
靈活性較好，可適用于彎曲的結構表面
此外，這款納米復合材料傳感器有極佳的靈活性，適用于彎曲的結構表面，可廣泛地應用在各種工程結構，即使是在移動結構的表面亦同樣可以噴涂方式安裝，實時傳送結構的健康信息。
響應頻率更廣闊
這款納米復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。這技術能在超聲波系統采集散射波，從而檢測大部份工程物料中微細至一至二毫米的裂縫，響應頻率比現有納米復合材料傳感器（根據國際期刊現有的報道）的響應頻率高出400多倍。
雖然傳統超聲波傳感器可量度的超聲波范圍，比這款納米復合材料傳感器的響應頻率更廣闊，但傳統傳感器的重量及成本均較高，難以大量使用構成大型傳感器網絡，故此只能帶來有限的數據資料。在眾多工程實際應用中，特別是針對航空航天結構，使用有很大的限制。
這項嶄新研究最近在其所屬領域的頂級期刊發表，包括《Ultrasonics》、《Carbon》及《Smart Materials and Structures》等！
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