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美国NIST研发的丝传感器(Silk Sensor)可以加速新型基础设施、航空航天和日常消费材料的开发

2017-03-22 124浏览 标签: 美国传感器

2017317日,美国NIST宣布,他们的研究人员已经开发出了一种方法可以在轻质复合材料中嵌入一种纳米级损伤敏感探针,这有助于开发轻质、节能、即使长期暴露在恶劣环境或结构应力下也不会破裂的新型复合物。

这种探针,被称为力色团(mechanophore),可以加速产品测试,并可能减少多种新型复合材料开发所需的时间和材料成本。

NIST团队使用一种叫做罗丹明内酰胺(rhodamine spirolactamRS)的染料制造了此种探针。此种染料可以在外加力的作用下发生反应从暗态转变为亮态。在该实验中,这种染料分子被附着在丝纤维上,置入环氧基复合材料内。随着越来越大的力施加到复合材料上,其应力与应变激活了RS,使其在激光的激发下发出荧光。虽然该变化不是裸眼可见的,但使用NIST设计制造的红色激光器和显微镜在复合材料内拍照,是可以显示出其内部最微小的断裂和裂纹的,并且可以展现纤维的断裂点。

用于设计复合材料的原料多种多样。此项研究中,将环氧树脂与丝纤维结合在一起,丝纤维由Fritz Vollrath教授的团队在牛津大学使用家蚕蚕丝制备。纤维增强聚合物复合材料(例如本项研究中使用的那种)可以将各组分最有利的方面结合起来:纤维的强度和聚合物的韧性。所有复合材料的共同点是存在组件相接的界面,这个界面的弹性对于复合材料承受损伤的能力至关重要。薄而柔软的界面比较受欢迎,但是测量复合材料中的界面性质是非常具有挑战性的。

一种测试方法是光学成像。然而,传统的光学成像方法仅能记录大小在200-400nm的图像。但是一些界面仅有10-100nm厚,使得这些技术在复合材料界面成像上失效。通过在界面处安装RS探针,研究人员能够使用光学显微镜“看”到仅仅存在于界面处的损伤。

领导此项研究的Jeffrey Gilman研究员说:“长期以来一直有办法能够测量复合材料的宏观性能,但是几十年来,确定复合材料的内部界面发生了什么一直是个挑战。”他又说:“我们现在有了一个损伤传感器,有助于根据不同应用优化复合材料,如果你试图更改设计方案,你可以弄清楚你所做的改变是改善了复合材料的界面还是使其更加劣化。”

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