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香港理工大学研发出可弯曲的纳米复合材料传感器

发布时间:2017-07-18 17:19:47

  近日,香港理工大学的研究团队研发了一种崭新的纳米复合材料传感器,这种传感器可直接喷涂于平坦或弯曲的工程结构,比如火车轨道和飞机结构。喷涂出来的传感器可以进一步构建成传感器网络,为受监测的结构提供实时及丰富的结构健康状况信息。

  

  纳米复合材料传感器由理大机械工程学系的苏众庆教授、周利民教授及以他们为首的团队研发,采用创新的喷涂技术制成,使传感器安装过程比传统方法更快捷和具效率。这种新技术也令该传感器适用于多种工程结构表面,提高了它的灵活性。

 纳米复合材料传感器

  苏教授说,该新型纳米复合材料传感器,能同时兼顾传感器的成本及传感器网络所捕获的数据量两个因素,为实现原位振动感测、以超声波为基础的结构健康监测技术开辟了新思路。

  

  新技术可减省成本提高灵敏度

  

  纳米复合材料传感器由碳黑、二维石墨烯、导电纳米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成,可根据各种工程应用的需要,轻易和灵活地制成不同的尺寸大小。

  

  新的纳米复合材料传感器由于优化了混合物的纳米结构,能敏感地检测到结构的改变,它能识别纳米复合材料对不同压阻的回馈。

  

  该新技术中,每一个传感器都通过印刷在结构上的电线连接到网络,透过分析和比较由电阻率转换而成的电信号,便可发现结构中的缺陷,同时将信号转换为三维图像。

  

  体重轻且成本低

  

  据了解,这种传感器重量极轻,而且制造成本低廉,可大量采用以检测隐藏在结构内部的问题,有助开创以超声波为基础的结构健康监测新时代。

  

  它包含一个传感器网络,由多个纳米复合材料传感器及一个超声波换能器组成,可主动探测安装了该传感网络的结构的健康状况,快速及准确地显示该结构是否有损坏。

  

  传感器会接收及量度超声波换能器发出的超声导波,如结构有损坏,例如出现裂缝,超声导波的传播会受损坏的地方干扰,因而出现特有的波散射现象,并为传感网络所记录。团队研发出来的一体化系统,可基于超声导波的散射准确地检测及量化结构损坏的情况。

  

  据悉,传统超声波传感器采用压电材料制作,成本是十多美元,重数克;而这个新一代纳米复合材料传感器的成本仅0.5美元,重0.04克。

  

  因此,一个结构可同时使用更多传感器,以获得更丰富的信息作分析,同时又不会给结构带来明显的负重。

  

  灵活性较好,可适用于弯曲结构表面

  

  此外,这款纳米复合材料传感器有极佳的灵活性,适用于弯曲的结构表面,可广泛地应用在各种工程结构,即使是在移动结构的表面亦同样可以喷涂方式安装,实时传送结构的健康信息。

  

  苏众庆表示,已与内地研究机构取得联系,未来将会把新技术用于航空结构上。新闻资料图

  

  响应频率更广阔

  

  这款纳米复合材料传感器可量度由静止至900千赫兹的微小幅度的超声波信号。这技术能在超声波系统采集散射波,从而检测大部份工程物料中微细至一至二毫米的裂缝,响应频率比现有纳米复合材料传感器(根据国际期刊现有的报道)的响应频率高出400多倍。

  

  虽然传统超声波传感器可量度的超声波范围,比这款纳米复合材料传感器的响应频率更广阔,但传统传感器的重量及成本均较高,难以大量使用构成大型传感器网络,故此只能带来有限的数据资料。在众多工程实际应用中,特别是针对航空航天结构,使用有很大的限制。

  

  编辑点评

  

  随着纳米科技的快速发展,纳米复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理的或化学的方法,在宏观和微观上组成具有新性能的材料。在性能上,各种具有协同效应的纳米材料互相补充,表现出来的综合性能使得纳米复合材料优于原纳米复合材料。该传感器具有良好的稳定性、选择性、检测线性范围宽,可用于人体血糖样品的分析和检测。

  

  (原标题:香港理工大学造出低成本高灵敏度的可喷涂传感器)

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