應力/應變檢測是機械部件設計及安全評定的基礎。隨著工業的發展，大型復雜構件在航空航天、高鐵和汽車等領域廣泛應用，因此需要實現大范圍的應力/應變和裂紋缺陷的檢測，對保障人員和設備的安全具有重要意義。開發針對可用于大型復雜結構的一種實時可視化的大范圍的應力/應變分布檢測技術，具有極高的工程應用價值。

    有機力致響應發光材料（mechanoresponsive luminescence, MRL）作為一類智能材料，能在力學刺激下發生熒光的強度或者波長變化，在傳感、顯示和存儲方面有潛在的應用價值，已有相當多的文章報道。然而，這些研究通常局限于粉末材料的性質研究，并沒有太多相關的實際應用研究。最近已有研究表明，作為明星分子四苯基乙烯的衍生物，四硝基-四苯基乙烯（TPE-4N）對力學刺激具有極高的靈敏度，并且展現出快速的響應性、高對比度、出色的可逆性和優異的成膜性等優點（Weijun Zhao et.al. Nature Communication 9 （2018）： 3044）。近日，天津大學化工學院張喆博士及香港科技大學唐本忠院士團隊合作發表了題為Dynamic Visualization of Stress/Strain Distribution and Fatigue Crack Propagation by an Organic Mechanoresponsive AIE Luminogen（Adv. Mater. 2018, 1803924）的文章。在該工作中，作者以TPE-4N作為金屬涂層材料，首次實現了利用純有機力致響應材料，動態可視化檢測機械部件的全場應力/應變分布和疲勞裂紋擴展路徑，將原本肉眼難以看到的力學信息轉化為可見的熒光信號。與傳統的傳感器方法或數字散斑相關方法相比較，這種先進的有機材料涂層具有實時、全場和現場可視化等優點。該研究是第一例將純有機力致響應材料和傳統的金屬機械力學相結合，為有機力致響應材料在生產生活中的實際應用打開了新的大門?？梢灶A見在不遠的將來，會有更多的有機力致響應材料在復雜構件的力學研究中，以及在役設備的設計和安全健康監測中發揮重要的作用。

    研究人員將金屬試樣浸泡在TPE-4N后取出，通過簡單加熱即可在金屬試樣表面制備結晶態TPE-4N涂層。無定型態的TPE-4N能發出綠色熒光，但在結晶態下則沒有熒光。然后將含TPE-4N涂層的金屬試樣放置于拉伸儀中，在紫外光源的激發下，使用CCD照相系統獲取并記錄在不同的應力/應變響應階段的熒光照片。

    對于實際機械部件，以單邊缺口試樣和圓孔試樣為例，進行應力/應變分布分析。試樣受力變形后，利用CCD照相系統記錄試樣表面的熒光分布及其像素灰度值分布，熒光試驗結果與ANSYS有限元模擬結果基本一致，證明了TPE-4N涂層能夠有效地反應出復雜金屬試樣的受力狀況。圓孔試樣的在圓孔邊緣處出現加工過程中意外存在的微小缺口，ANSYS有限元模擬不能預測這種加工造成的缺陷，但本方法能清晰地將缺陷附近的應力集中可視化，體現出這種熒光方法的對實際機械部件中應力/應變分布測量的準確性，能看到理論模擬預測不到的細節。

    除了應力/應變分布分析，TPE-4N涂層還能實時監測機械部件上的疲勞裂紋，并且預測疲勞裂紋的擴展路徑。當試樣未加載時，無熒光響應。當載荷循環加載過程中，在缺口的邊緣處出現熒光信號，表明該處出現應力集中，并且誘發疲勞裂紋生成。隨著加載繼續，疲勞裂紋擴展，并且在裂紋的尖端和兩側出現熒光信號。裂紋尖端的前部出現熒光，這表明該區域應力集中明顯，裂紋偏向此區域擴展。

    這一系列TPE-4N涂層的實驗在鋁合金（Al 1100，Al 2024），不銹鋼（SUS316L）和低合金鋼（X80）等材料上進行了重復性測試，證明了這個先進材料的廣泛適用性。

    本研究結果發表于《Advanced Materials》雜志。

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責任編輯：王元

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