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香港理工大學研發出可彎曲的納米復合材料傳感器

發布時間:2017-07-18 17:19:47

  近日,香港理工大學的研究團隊研發了一種嶄新的納米復合材料傳感器,這種傳感器可直接噴涂于平坦或彎曲的工程結構,比如火車軌道和飛機結構。噴涂出來的傳感器可以進一步構建成傳感器網絡,為受監測的結構提供實時及豐富的結構健康狀況信息。

  

  納米復合材料傳感器由理大機械工程學系的蘇眾慶教授、周利民教授及以他們為首的團隊研發,采用創新的噴涂技術制成,使傳感器安裝過程比傳統方法更快捷和具效率。這種新技術也令該傳感器適用于多種工程結構表面,提高了它的靈活性。

 納米復合材料傳感器

  蘇教授說,該新型納米復合材料傳感器,能同時兼顧傳感器的成本及傳感器網絡所捕獲的數據量兩個因素,為實現原位振動感測、以超聲波為基礎的結構健康監測技術開辟了新思路。

  

  新技術可減省成本提高靈敏度

  

  納米復合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成,可根據各種工程應用的需要,輕易和靈活地制成不同的尺寸大小。

  

  新的納米復合材料傳感器由于優化了混合物的納米結構,能敏感地檢測到結構的改變,它能識別納米復合材料對不同壓阻的回饋。

  

  該新技術中,每一個傳感器都通過印刷在結構上的電線連接到網絡,透過分析和比較由電阻率轉換而成的電信號,便可發現結構中的缺陷,同時將信號轉換為三維圖像。

  

  體重輕且成本低

  

  據了解,這種傳感器重量極輕,而且制造成本低廉,可大量采用以檢測隱藏在結構內部的問題,有助開創以超聲波為基礎的結構健康監測新時代。

  

  它包含一個傳感器網絡,由多個納米復合材料傳感器及一個超聲波換能器組成,可主動探測安裝了該傳感網絡的結構的健康狀況,快速及準確地顯示該結構是否有損壞。

  

  傳感器會接收及量度超聲波換能器發出的超聲導波,如結構有損壞,例如出現裂縫,超聲導波的傳播會受損壞的地方干擾,因而出現特有的波散射現象,并為傳感網絡所記錄。團隊研發出來的一體化系統,可基于超聲導波的散射準確地檢測及量化結構損壞的情況。

  

  據悉,傳統超聲波傳感器采用壓電材料制作,成本是十多美元,重數克;而這個新一代納米復合材料傳感器的成本僅0.5美元,重0.04克。

  

  因此,一個結構可同時使用更多傳感器,以獲得更豐富的信息作分析,同時又不會給結構帶來明顯的負重。

  

  靈活性較好,可適用于彎曲結構表面

  

  此外,這款納米復合材料傳感器有極佳的靈活性,適用于彎曲的結構表面,可廣泛地應用在各種工程結構,即使是在移動結構的表面亦同樣可以噴涂方式安裝,實時傳送結構的健康信息。

  

  蘇眾慶表示,已與內地研究機構取得聯系,未來將會把新技術用于航空結構上。新聞資料圖

  

  響應頻率更廣闊

  

  這款納米復合材料傳感器可量度由靜止至900千赫茲的微小幅度的超聲波信號。這技術能在超聲波系統采集散射波,從而檢測大部份工程物料中微細至一至二毫米的裂縫,響應頻率比現有納米復合材料傳感器(根據國際期刊現有的報道)的響應頻率高出400多倍。

  

  雖然傳統超聲波傳感器可量度的超聲波范圍,比這款納米復合材料傳感器的響應頻率更廣闊,但傳統傳感器的重量及成本均較高,難以大量使用構成大型傳感器網絡,故此只能帶來有限的數據資料。在眾多工程實際應用中,特別是針對航空航天結構,使用有很大的限制。

  

  編輯點評

  

  隨著納米科技的快速發展,納米復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理的或化學的方法,在宏觀和微觀上組成具有新性能的材料。在性能上,各種具有協同效應的納米材料互相補充,表現出來的綜合性能使得納米復合材料優于原納米復合材料。該傳感器具有良好的穩定性、選擇性、檢測線性范圍寬,可用于人體血糖樣品的分析和檢測。

  

  (原標題:香港理工大學造出低成本高靈敏度的可噴涂傳感器)

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