應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)是機(jī)械部件設(shè)計(jì)及安全評(píng)定的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)的發(fā)展，大型復(fù)雜構(gòu)件在航空航天、高鐵和汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因此需要實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)力/應(yīng)變和裂紋缺陷的檢測(cè)，對(duì)保障人員和設(shè)備的安全具有重要意義。開發(fā)針對(duì)可用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一種實(shí)時(shí)可視化的大范圍的應(yīng)力/應(yīng)變分布檢測(cè)技術(shù)，具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值。

    有機(jī)力致響應(yīng)發(fā)光材料（mechanoresponsive luminescence, MRL）作為一類智能材料，能在力學(xué)刺激下發(fā)生熒光的強(qiáng)度或者波長變化，在傳感、顯示和存儲(chǔ)方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值，已有相當(dāng)多的文章報(bào)道。然而，這些研究通常局限于粉末材料的性質(zhì)研究，并沒有太多相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用研究。最近已有研究表明，作為明星分子四苯基乙烯的衍生物，四硝基-四苯基乙烯（TPE-4N）對(duì)力學(xué)刺激具有極高的靈敏度，并且展現(xiàn)出快速的響應(yīng)性、高對(duì)比度、出色的可逆性和優(yōu)異的成膜性等優(yōu)點(diǎn)（Weijun Zhao et.al. Nature Communication 9 （2018）： 3044）。近日，天津大學(xué)化工學(xué)院張喆博士及香港科技大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表了題為Dynamic Visualization of Stress/Strain Distribution and Fatigue Crack Propagation by an Organic Mechanoresponsive AIE Luminogen（Adv. Mater. 2018, 1803924）的文章。在該工作中，作者以TPE-4N作為金屬涂層材料，首次實(shí)現(xiàn)了利用純有機(jī)力致響應(yīng)材料，動(dòng)態(tài)可視化檢測(cè)機(jī)械部件的全場(chǎng)應(yīng)力/應(yīng)變分布和疲勞裂紋擴(kuò)展路徑，將原本肉眼難以看到的力學(xué)信息轉(zhuǎn)化為可見的熒光信號(hào)。與傳統(tǒng)的傳感器方法或數(shù)字散斑相關(guān)方法相比較，這種先進(jìn)的有機(jī)材料涂層具有實(shí)時(shí)、全場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)可視化等優(yōu)點(diǎn)。該研究是第一例將純有機(jī)力致響應(yīng)材料和傳統(tǒng)的金屬機(jī)械力學(xué)相結(jié)合，為有機(jī)力致響應(yīng)材料在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用打開了新的大門。可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)有更多的有機(jī)力致響應(yīng)材料在復(fù)雜構(gòu)件的力學(xué)研究中，以及在役設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全健康監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要的作用。

    研究人員將金屬試樣浸泡在TPE-4N后取出，通過簡單加熱即可在金屬試樣表面制備結(jié)晶態(tài)TPE-4N涂層。無定型態(tài)的TPE-4N能發(fā)出綠色熒光，但在結(jié)晶態(tài)下則沒有熒光。然后將含TPE-4N涂層的金屬試樣放置于拉伸儀中，在紫外光源的激發(fā)下，使用CCD照相系統(tǒng)獲取并記錄在不同的應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)階段的熒光照片。

    對(duì)于實(shí)際機(jī)械部件，以單邊缺口試樣和圓孔試樣為例，進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變分布分析。試樣受力變形后，利用CCD照相系統(tǒng)記錄試樣表面的熒光分布及其像素灰度值分布，熒光試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS有限元模擬結(jié)果基本一致，證明了TPE-4N涂層能夠有效地反應(yīng)出復(fù)雜金屬試樣的受力狀況。圓孔試樣的在圓孔邊緣處出現(xiàn)加工過程中意外存在的微小缺口，ANSYS有限元模擬不能預(yù)測(cè)這種加工造成的缺陷，但本方法能清晰地將缺陷附近的應(yīng)力集中可視化，體現(xiàn)出這種熒光方法的對(duì)實(shí)際機(jī)械部件中應(yīng)力/應(yīng)變分布測(cè)量的準(zhǔn)確性，能看到理論模擬預(yù)測(cè)不到的細(xì)節(jié)。

    除了應(yīng)力/應(yīng)變分布分析，TPE-4N涂層還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械部件上的疲勞裂紋，并且預(yù)測(cè)疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑。當(dāng)試樣未加載時(shí)，無熒光響應(yīng)。當(dāng)載荷循環(huán)加載過程中，在缺口的邊緣處出現(xiàn)熒光信號(hào)，表明該處出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且誘發(fā)疲勞裂紋生成。隨著加載繼續(xù)，疲勞裂紋擴(kuò)展，并且在裂紋的尖端和兩側(cè)出現(xiàn)熒光信號(hào)。裂紋尖端的前部出現(xiàn)熒光，這表明該區(qū)域應(yīng)力集中明顯，裂紋偏向此區(qū)域擴(kuò)展。

    這一系列TPE-4N涂層的實(shí)驗(yàn)在鋁合金（Al 1100，Al 2024），不銹鋼（SUS316L）和低合金鋼（X80）等材料上進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試，證明了這個(gè)先進(jìn)材料的廣泛適用性。

    本研究結(jié)果發(fā)表于《Advanced Materials》雜志。

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