НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Исследовательская группа Гонконгского политехнического университета PolyU разработала новое поколение датчиков, которое можно напылять непосредственно на плоские или изогнутые инженерные конструкционные поверхности, такие как железнодорожные пути и конструкции самолетов. Благодаря небольшому весу и низкой стоимости изготовления, большое количество датчиков может быть объединено в сенсорной сети для обнаружения скрытых дефектов объектов, открывая путь для новой эры структурного мониторинга работоспособности на основе ультразвука.

В нанокомпозитных датчиках, разработанных исследовательской группой факультета машиностроения PolyU, возглавляемой профессорами Су Чжунцином и Чжоу Лимином, применяется инновационная технология напыления, что делает процесс установки датчиков более быстрым и эффективным по сравнению с обычными. Это также повышает гибкость продукта для адаптации к различным типам поверхности. Датчики изготовлены из гибридного углерода, 2D графена, проводящих наночастиц и пьезоактивного фторполимера поливинилиденфторида (PVDF).

В настоящее время количество обычных ультразвуковых датчиков, например, из пьезокерамики (PZT), используемых для мониторинга по месту, обычно ограничено факторами, связанными со стоимостью и весом датчиков. Эти датчики обычно жесткие (неспособные к адаптации к изогнутым поверхностям), добавляют свой немалый вес и объем к контролируемой структуре, на которую устанавливаются. Однако нанокомпозитные датчики, разработанные командой PolyU, могут быть изготовлены в большом количестве для создания плотной сенсорной сети структурного мониторинга работоспособности при гораздо меньших затратах на изготовление и ​​весе, чем при использовании обычных датчиков.

"Напыляемые нанокомпозитные датчики открыли путь для внедрения в место зондирования ультразвукового мониторинга состояния объекта, установив баланс между стоимостью зондирования, чувствительностью и количеством данных, получаемых датчиками", - утверждает профессор Су.

Низкая стоимость, малый вес

Инновационная технология поля зондирования включает в себя сенсорную сеть с несколькими напыленными нанокомпозитными датчиками и ультразвуковым генератором, чтобы активно определять состояние объекта, на который они фиксируются, быстро и точно показывать, есть ли какие-либо повреждения в структуре. Когда ультразвуковой генератор испускает управляемые ультразвуковые волны (GUW), датчики принимают и измеряют волны. Если в структуре присутствует повреждение, такое как трещина, распространение GUW будет зависеть от повреждения, приводящего к уникальным явлениям рассеяния волн, которые захватываются сетью датчиков. Основываясь на рассеянии волн, ущерб можно охарактеризовать количественно и качественно через систему «все-в-одном», разработанную командой.

По сравнению с обычными ультразвуковыми датчиками, стоимость которых превышает 10 долларов США и весит несколько граммов, это новое поколение нанокомпозитных датчиков стоит всего 0,5$ и весит 0,04 г каждый. Новые датчики генерируют больше информации для анализа, добавляя меньший вес к контролируемой структуре и отлично приспосабливаются к изогнутым поверхностям, что позволяет использовать широкий спектр практических инженерных приложений. Они также напыляются на поверхности движущейся структуры для передачи информации о работоспособности в режиме реального времени.

Широкий диапазон частот ответа

Датчик, разработанный командой, может измерять ультразвуковой сигнал от статического до величины в 900 кГц с ультранизкой интенсивностью. Приобретение рассеяния волн в ультразвуковом режиме позволяет обнаруживать трещины размером от 1 до 2 мм в большинстве строительных материалов. В то время как обычный ультразвуковой датчик может измерять более широкий диапазон ультразвуковых волн, по сравнению с разработанными командой, высокая стоимость и вес обычных датчиков делают применение массива датчиков недопустимым, уменьшая количество получаемых данных. В практических применениях существует множество ограничений в применении обычных ультразвуковых датчиков, особенно в аэрокосмических конструкциях.

Новая технология снижения затрат и повышения чувствительности

Сделанный из гибридного углерода, 2D графена, проводящих наночастиц и фторопласта поливинилиденфторида (PVDF), нанокомпозитный датчик может быть легко и гибко адаптирован к различным размерам в различных технических приложениях.

Секрет его высокой чувствительности к структурным изменениям заключается в оптимизированной наноструктуре гибрида, которая позволяет датчику обладать способностью идентифицировать кардинальные изменения в пьезорезистентности нанокомпозита. Чтобы измерить и проанализировать резкое изменение пьезорезистентности, профессор Су и его команда неоднократно тестировали весовое отношение нанонаполнителей для оптимизации проводимости нанокомпозита.

Каждый датчик подключается к сети через провод, напечатанный на корпусе. Анализируя и сравнивая электрические сигналы, преобразованные из электросопротивления, сеть может обнаруживать дефект структуры, а также преобразовывать сигналы в 3D-изображения.

Это новое исследование было недавно опубликовано в журналах высшего уровня авторитетности в этой области, включая Ultrasonics, Carbon, Smart Materials and Structures.

«Благодаря своему малому весу новые нанокомпозитные датчики могут быть применены в движущихся объектах, таких как поезда и самолеты, что поможет проложить путь для мониторинга этих объектов в реальном времени в будущем, повысить безопасность инженерных структур и модернизировать традиционные философии системного обслуживания», - сказал профессор Су.

 

Источник: ScienceDaily