Nowy materiał opracowany przez Uniwersytet Tohoku rejestruje i przechowuje historię naprężeń w konstrukcjach poprzez efekt luminescencyjny, oferując innowacyjne rozwiązanie do monitorowania starzejącej się infrastruktury bez konieczności zasilania i skomplikowanego sprzętu.
Identyfikacja pogarszającej się infrastruktury może być równie trudna, jak jej naprawa. Jednak naukowcy z Uniwersytetu Tohoku ułatwili ten proces dzięki opracowaniu nowego, innowacyjnego materiału.
Materiał reaguje na bodźce mechaniczne, rejestrując historię naprężeń poprzez efekt luminescencyjny zwany poświatą. Informacje te są przechowywane przez długi czas, a nakładając materiał na powierzchnie konstrukcji, badacze mogą obserwować zmiany w poświacie, aby określić wielkość naprężeń, jakim poddawany był materiał.
„To, co czyni nasz materiał naprawdę innowacyjnym, polega na tym, że działa bez zasilania, skomplikowanego sprzętu ani obserwacji na miejscu i można go łatwo połączyć z technologią IoT” – zauważa profesor Uniwersytetu Tohoku i korespondent autor badania, Chao-Nan Xu.
W Japonii istotnym problemem stała się starzejąca się infrastruktura, prowadząca do zwiększonego zapotrzebowania na nowe technologie diagnostyczne, które zapobiegają wypadkom i/lub wydłużają żywotność konstrukcji.
Materiały mechanoluminescencyjne i wyzwania
Materiały mechanoluminescencyjne wykazują luminescencję po stymulacji mechanicznej, a technologie takie jak wykrywanie pęknięć i wizualizacja naprężeń zostały opracowane poprzez nałożenie tego materiału na powierzchnię konstrukcji. Jednak luminescencję można zaobserwować jedynie w momencie mechanicznej stymulacji i nie można odzyskać informacji o przeszłych bodźcach mechanicznych.
Naukowcy zbadali różne materiały zdolne do rejestrowania historii obciążeń mechanicznych w przeszłości. Materiały te zazwyczaj łączą materiały luminescencyjne z materiałami światłoczułymi, tworząc system, w którym materiał emituje światło w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne, a światło to można zachować, a następnie przeanalizować w celu zrekonstruowania historii naprężeń. Jednak materiały te stoją przed kilkoma wyzwaniami: złożonymi strukturami warstw, ciemnymi reakcjami i długoterminową wydajnością nagrywania. Ponadto, chociaż niektóre fluorofory pod wpływem ciepła ujawniają historię obciążeń w przeszłości, ich zastosowanie ogranicza się do materiałów odpornych na wysokie temperatury.
Przełom dzięki LNNO
Xu i jej współpracownicy odkryli prostą i przyjazną dla środowiska metodę rejestrowania naprężeń przy użyciu Li domieszkowanego Pr0,12 Nie0,88 NbO3 (LNNO). To LNNO posiadało funkcję mechanicznego zapisu, co oznaczało, że mogło odzyskać nawet przeszłe zdarzenia stresowe.
Aby uzyskać informacje o przeszłych naprężeniach, LNNO nakłada się jako powłokę na powierzchnię obiektu, a następnie naświetla latarką. Poświatę wytwarzaną przez LNNO można mierzyć za pomocą kamer lub czujników światła. Badania wykazały, że obraz poświaty jest ilościowo zgodny z wynikami uzyskanymi metodą elementów skończonych. Dodatkowo badanie potwierdziło, że LNNO przechowuje informacje o stresie nawet po upływie pięciu miesięcy.
„Oczekuje się, że nasze odkrycia zmniejszą niedobory siły roboczej w diagnostyce strukturalnej i obniżą koszty” – dodaje Xu.
Odniesienie: „Bezpośredni zapis i odczyt siły mechanicznej poprzez ocenę poświaty wielopiezoelektrycznego materiału mechanoluminescencyjnego Li0.12Na0.88NbO3 na dobrze zaprojektowanej granicy fazy morfotropowej” autorstwa
Tomoki Uchiyama, Taisei Atsumi, Koki Otonari, Yuki Fujio, Xu-Guang Zheng i Chao-Nan Xu, 25 kwietnia 2024 r., Litery fizyki stosowanej.
DOI: 10.1063/5.0209065
W badaniu uczestniczył także Tomoki Uchiyama, adiunkt na Uniwersytecie Tohoku, wraz ze studentami studiów licencjackich Taisei Atsumi i Koki Otonari. Yuki Fujio z Narodowego Instytutu Zaawansowanych Nauk i Technologii Przemysłowych oraz Xu-Guang Zheng z Uniwersytetów Saga i Uniwersytetów Tohoku.
