Strain-sensing smart skin klaar voor gebruik

Een spanningsgevoelige slimme huid ontwikkeld aan de Rice University die zeer kleine structuren, koolstofnanobuisjes, gebruikt om schade in grote structuren te bewaken en te detecteren, is klaar voor prime time.

De “strain paint” die Rice in 2012 voor het eerst onthulde, gebruikt de fluorescerende eigenschappen van nanobuisjes om te laten zien wanneer een oppervlak is vervormd door stress.

Nu ontwikkeld als onderdeel van een contactloos optisch monitoringsysteem dat bekend staat als S4, kan de meerlaagse coating worden aangebracht op grote oppervlakken – bruggen, gebouwen, schepen en vliegtuigen, om te beginnen – waar hoge belasting een onzichtbare bedreiging vormt.

Het project onder leiding van Rice-chemicus Bruce Weisman, bouwkundig ingenieur Satish Nagarajaiah en hoofdauteur en afgestudeerde student Wei Meng komt voort uit de ontdekking van Weisman in 2002 dat halfgeleidende koolstofnanobuisjes fluoresceren op nabij-infrarode golflengten. Vervolgens ontwikkelde hij optische instrumenten om de fysische en chemische eigenschappen van nanobuisjes te onderzoeken, waaronder: spectroscopische spanningseffecten, in 2008.

Zelfstandig in 2004, Nagarajaiah heeft een contactloze optische reksensor voorgesteld en ontwikkeld met behulp van koolstof nanobuisfilms gebonden aan structurele leden met epoxy en onderzocht met Raman-spectroscopie.

Hun onafhankelijke onderzoekspaden versmolten tot een gemeenschappelijk project in 2008 toen Weisman en Nagarajaiah ontdekten dat enkelwandige koolstofnanobuisjes ingebed in een polymeer en gebonden aan een structureel onderdeel dezelfde spanning zullen ervaren en dit optisch kunnen rapporteren via spectrale verschuivingen in hun nabij-infrarood fluorescentie. Ze meldden dat het vinden in een papier uit 2012.

“Rekmetingen worden vaak gedaan als onderdeel van veiligheidsgerelateerde inspecties”, zei Weisman. “Die technische gemeenschap is terecht conservatief, omdat hun metingen betrouwbaar moeten zijn. Dus we moeten scepsis over nieuwe methoden overwinnen door te bewijzen dat de onze net zo geldig is als de gevestigde.

“Dit artikel presenteert de geloofsbrieven van onze methode als een serieuze technologie voor het meten van spanningen”, zei hij.

Details van het contactloze systeem van de volgende generatie verschijnen in Wetenschappelijke rapporten.

Strain mapping is gebaseerd op twee technologieën: fysieke meters die aan structuren zijn bevestigd, en digitale beeldcorrelatie (DIC), die wordt gebruikt om afbeeldingen te vergelijken die in de loop van de tijd zijn gemaakt van oppervlakken met ingebedde “spikkels”.

Weisman zei dat S4 gemakkelijk bestand is tegen DIC. Beter nog, de twee technieken kunnen samenwerken. “We wilden een directe vergelijking maken met DIC, de enige gecommercialiseerde kaartmethode voor stam die er is,” zei hij. “Het wordt in een aantal industrieën gebruikt en mensen hebben er een vrij hoog vertrouwen in.

“Om aan te tonen dat onze methode er naast kan staan ​​en resultaten kan krijgen die vergelijkbaar of beter zijn, heeft Wei een methode bedacht om S4 en DIC op te nemen, zodat beide technieken tegelijkertijd kunnen worden gebruikt en zelfs elkaar kunnen aanvullen”, zei Weisman.

De huid zelf heeft drie lagen, waarvan de configuratie is afgestemd op het oppervlak dat ze bedekken. Meestal wordt eerst een dekkende primer die de DIC-spikkels bevat, geverfd. De tweede laag is een helder polyurethaan dat de basis isoleert van de nanobuisjes. Ten slotte wordt de sensorlaag van individueel gecoate nanobuisjes, gesuspendeerd in tolueen, erop gesproeid. Het tolueen verdampt, waardoor een submicron-dikke sensorlaag van nanobuisjes achterblijft op het structurele lid. Hierop kan een extra beschermlaag worden aangebracht om de huid jarenlang actief te houden.

Het systeem vereist ook een lezer, in dit geval een kleine zichtbare laser om de nanobuisjes te exciteren en een draagbare spectrometer om te zien hoe ze worden belast.

Meng vergeleek S4 zorgvuldig met zowel DIC- als computersimulaties in tests op I-vormige acrylstaven met een gat of een uitsparing, en op betonblokken en aluminiumplaten met gaten erin geboord om spanningspatronen te focussen. In alle gevallen gaf S4 een nauwkeurig beeld met hoge resolutie van de gestresste specimens dat vergelijkbaar was met of beter was dan de gelijktijdige DIC-resultaten.

Het meten van beton vormde een optische uitdaging. “We ontdekten dat cement in het beton intrinsieke bijna-infrarode emissie heeft die onze spanningsmetingen verstoort,” zei Nagarajaiah. “Wei heeft enorm veel tijd besteed, vooral tijdens de pandemie, aan het zorgvuldig werken aan een nieuwe architectuur om die signalen te blokkeren.”

In plaats van de gebruikelijke witte basislaag, diende een zwarte basis die ook de spikkels bevat, het doel, zei hij.

“Er is nog een bijkomend voordeel van S4 ten opzichte van DIC dat we tot voor kort niet op prijs stelden,” zei Weisman. “Dat is het feit dat om goede resultaten van DIC te krijgen een hoog niveau van expertise van de kant van de operator vereist is. Bedrijven vertellen ons dat alleen hun ingenieurs gekwalificeerd zijn om het te gebruiken. Het is eenvoudig om de gegevens te nemen, maar de interpretatie vereist veel van oordeel.

“Onze methode is heel anders,” zei hij. “Het is bijna net zo eenvoudig om de gegevens te verzamelen, maar de analyse om de S4-stamkaart te krijgen is automatisch. Op de lange termijn zal dat een voordeel zijn.”

“Ik twijfel er niet aan dat dit een ultramoderne methode voor het in kaart brengen van stammen is,” zei Nagarajaiah. “We hebben het getest op constructiedelen gemaakt van metaal, plastic en beton met complexe microscheuren en ondergrondse schade, en het werkt in alle gevallen. Ik geloof dat we het stadium hebben bereikt waarin het klaar is voor implementatie, en we zijn betrokken bij met de industrie om te leren hoe het hen kan helpen.”

Rijstonderzoeker Sergei Bachilo en afgestudeerde student Ashish Pal zijn co-auteurs van de studie. Weisman is hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering. Nagarajaiah is hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, materiaalkunde en nanotechniek en werktuigbouwkunde.