基于AIE材料的金属应力/应变及疲劳裂纹动态可视化检测技术

应力/应变检测是机械部件设计及安全评定的基础。随着工业的发展，大型复杂构件在航空航天、高铁和汽车等领域广泛应用，因此需要实现大范围的应力/应变和裂纹缺陷的检测，对保障人员和设备的安全具有重要意义。开发针对可用于大型复杂结构的一种实时可视化的大范围的应力/应变分布检测技术，具有极高的工程应用价值。

有机力致响应发光材料（mechanoresponsive luminescence, MRL）作为一类智能材料，能在力学刺激下发生荧光的强度或者波长变化，在传感、显示和存储方面有潜在的应用价值，已有相当多的文章报道。然而，这些研究通常局限于粉末材料的性质研究，并没有太多相关的实际应用研究。最近已有研究表明，作为明星分子四苯基乙烯的衍生物，四硝基-四苯基乙烯（TPE-4N）对力学刺激具有极高的灵敏度，并且展现出快速的响应性、高对比度、出色的可逆性和优异的成膜性等优点（Weijun Zhao et.al. Nature Communication 9 (2018): 3044）。

近日，天津大学化工学院张喆博士及香港科技大学唐本忠院士团队合作发表了题为Dynamic Visualization of Stress/Strain Distribution and Fatigue Crack Propagation by an Organic Mechanoresponsive AIE Luminogen（Adv. Mater. 2018, 1803924）的文章。

在该工作中，作者以TPE-4N作为金属涂层材料，首次实现了利用纯有机力致响应材料，动态可视化检测机械部件的全场应力/应变分布和疲劳裂纹扩展路径，将原本肉眼难以看到的力学信息转化为可见的荧光信号。与传统的传感器方法或数字散斑相关方法相比较，这种先进的有机材料涂层具有实时、全场和现场可视化等优点。该研究是第一例将纯有机力致响应材料和传统的金属机械力学相结合，为有机力致响应材料在生产生活中的实际应用打开了新的大门。可以预见在不远的将来，会有更多的有机力致响应材料在复杂构件的力学研究中，以及在役设备的设计和安全健康监测中发挥重要的作用。

研究人员将金属试样浸泡在TPE-4N后取出，通过简单加热即可在金属试样表面制备结晶态TPE-4N涂层。无定型态的TPE-4N能发出绿色荧光，但在结晶态下则没有荧光。然后将含TPE-4N涂层的金属试样放置于拉伸仪中，在紫外光源的激发下，使用CCD照相系统获取并记录在不同的应力/应变响应阶段的荧光照片。

对于实际机械部件，以单边缺口试样和圆孔试样为例，进行应力/应变分布分析。试样受力变形后，利用CCD照相系统记录试样表面的荧光分布及其像素灰度值分布，荧光试验结果与ANSYS有限元模拟结果基本一致，证明了TPE-4N涂层能够有效地反应出复杂金属试样的受力状况。

圆孔试样的在圆孔边缘处出现加工过程中意外存在的微小缺口，ANSYS有限元模拟不能预测这种加工造成的缺陷，但本方法能清晰地将缺陷附近的应力集中可视化，体现出这种荧光方法的对实际机械部件中应力/应变分布测量的准确性，能看到理论模拟预测不到的细节。

除了应力/应变分布分析，TPE-4N涂层还能实时监测机械部件上的疲劳裂纹，并且预测疲劳裂纹的扩展路径。

当试样未加载时，无荧光响应。当载荷循环加载过程中，在缺口的边缘处出现荧光信号，表明该处出现应力集中，并且诱发疲劳裂纹生成。随着加载继续，疲劳裂纹扩展，并且在裂纹的尖端和两侧出现荧光信号。裂纹尖端的前部出现荧光，这表明该区域应力集中明显，裂纹偏向此区域扩展。

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