Новый материал фиксирует механическое напряжение посредством люминесценции

Выявить разрушающуюся инфраструктуру иногда так же сложно, как и исправить ее. Тем не менее, этот процесс стал проще благодаря новому инновационному материалу, разработанному исследователями Университета Тохоку. Подробности результатов были опубликованы в журнале. Письма по прикладной физике 25 апреля 2024 г.

Материал реагирует на механические раздражители, записывая историю стресса посредством люминесцентного эффекта, называемого послесвечением. Эта информация сохраняется в течение длительного времени, и, нанося материал на поверхности конструкций, исследователи могут наблюдать изменения в послесвечении, чтобы определить величину напряжения, которое испытал материал.

«Что делает наш материал по-настоящему инновационным, так это то, что он работает без источника питания, сложного оборудования или наблюдения на месте и легко сочетается с технологией Интернета вещей», — отмечает профессор Университета Тохоку и автор исследования Чао-Нан Сюй.

В Японии стареющая инфраструктура стала серьезной проблемой, что привело к увеличению спроса на новые диагностические технологии, которые предотвращают несчастные случаи и/или продлевают срок службы конструкций.

Механолюминесцентные материалы проявляют люминесценцию при механическом стимулировании, и такие технологии, как обнаружение трещин и визуализация напряжений, были разработаны путем нанесения этого материала на поверхность конструкций. Но свечение можно наблюдать только в момент механической стимуляции, а информацию о прошлых механических раздражителях восстановить невозможно.

Исследователи исследовали различные материалы, способные записывать прошлые истории механических нагрузок. Эти материалы обычно сочетают в себе люминесцентные материалы со светочувствительными материалами, создавая систему, в которой материал излучает свет в ответ на механическое напряжение, и этот свет можно сохранить и позже проанализировать для реконструкции истории стресса.

Однако эти материалы сталкиваются с рядом проблем: сложная многослойная структура, темновые реакции и долговременная запись. Кроме того, хотя некоторые флуорофоры раскрывают историю прошлых нагрузок при воздействии тепла, их применение ограничено материалами, способными выдерживать высокие температуры.

Сюй и ее коллеги открыли простой и экологически чистый метод регистрации стресса с использованием лития с примесью Pr._0,12На_0,88НБО₃ (ЛННО). Этот LNNO имел функцию механической записи, что означало, что он мог восстанавливать даже прошлые стрессовые события.

Чтобы получить информацию о прошлых стрессах, LNNO наносится в виде покрытия на поверхность объекта, а затем облучается фонариком. Послесвечение, создаваемое ЛННО, можно измерить с помощью камер или датчиков освещенности.

Исследование показало, что изображение послесвечения количественно совпадает с результатами, полученными с помощью анализа методом конечных элементов. Кроме того, исследование подтвердило, что LNNO сохраняет информацию о стрессе даже по прошествии пяти месяцев.

«Ожидается, что наши результаты позволят сократить нехватку рабочей силы в области структурной диагностики и снизить затраты», — добавляет Сюй.