{首页主词},&

山科大劉成寶教授 Mater. Horiz.：基于超分子可視化智能傳感器的海洋鋼結(jié)構(gòu)劣化監(jiān)測

2024-12-19 13:21:32 作者：高分子科技來源：高分子科技分享至：

先進材料是海洋鉆井平臺、油氣管道和風(fēng)力渦輪機等設(shè)備高性能和可靠性的基礎(chǔ)。然而，金屬材料在海洋環(huán)境中易腐蝕和磨損，長期使用可能導(dǎo)致微小損傷演變?yōu)楹暧^缺陷，從而導(dǎo)致設(shè)備失效。因此，及時監(jiān)測微損傷并量化失效程度對保障設(shè)備安全至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)利用傳感器檢測工程結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)特性變化，以評估其健康狀況。盡管現(xiàn)有磁場、聲波和紅外傳感器已經(jīng)開發(fā)，但在復(fù)雜的海洋環(huán)境中成本高且難以大范圍應(yīng)用。近年來，基于聚合物的SHM材料因其柔韌性和便捷安裝受到關(guān)注。壓阻復(fù)合材料通過電導(dǎo)率變化檢測損傷，但難以精確定位腐蝕，亟需新技術(shù)來準(zhǔn)確監(jiān)測局部腐蝕位置和趨勢。自預(yù)警的高分子聚合物能對環(huán)境化學(xué)成分變化作出響應(yīng)，金屬腐蝕伴隨金屬離子富集和酸堿度變化。引入功能性腐蝕探針可實現(xiàn)局部腐蝕的視覺檢測，但現(xiàn)有涂層多為定性診斷，缺乏定量信息。因此，開發(fā)兼顧視覺檢測以及腐蝕定量分析的新型自預(yù)警材料顯得尤為重要。

山東科技大學(xué)材料腐蝕與保護團隊劉成寶教授，近年來圍繞損傷多尺度預(yù)警與多途徑修復(fù)功能防腐涂層方面展開研究。提出了基于腐蝕離子識別策略構(gòu)筑局部腐蝕自預(yù)警自修復(fù)防腐涂層材料(ACS Appl. Polym. Mater. 2022, 4, 6067-6079; Nanoscale, 2022, 14, 8429; J. Ind. Eng. Chem. 2023, 118, 109-118)；通過刺激響應(yīng)微膠囊對腐蝕微環(huán)境響應(yīng)生色原理預(yù)警界面腐蝕（Prog. Org. Coat. 2024, 186, 108043）。系統(tǒng)研究了界面腐蝕直至損傷修復(fù)的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕檢測過程，實現(xiàn)了對聚合物涂層早期失效演變過程的有效預(yù)警。在上述研究基礎(chǔ)上，山東科技大學(xué)劉成寶近期在《Materials Horizons》期刊發(fā)表“Flexible, Self-healing and Portable Supramolecular Visualization Smart Sensors for Monitoring and Quantifying Structural Damage”研究論文，為此，該研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的超分子視覺化智能傳感器（AP-SHM），用于監(jiān)測和定量評估海洋鋼結(jié)構(gòu)局部腐蝕反應(yīng)。該傳感器通過將負(fù)載NH₂-Phen的功能性腐蝕探針引入聚脲(PU)樹脂中，結(jié)合圖像采集設(shè)備（如手機攝像頭）實現(xiàn)腐蝕失效的精確量化識別。與現(xiàn)有的自預(yù)警涂層不同，AP-SHM不僅可作為涂層使用，還可作為柔性檢測貼片，適用于金屬表面的腐蝕檢測。傳感器中的多重動態(tài)氫鍵賦予其自愈能力，同時傳感器的光學(xué)反饋信號可被肉眼直接識別讀取，通過將傳感器圖像輸入自主開發(fā)軟件中可進一步量化腐蝕率、分布及損傷尺度。這一創(chuàng)新性監(jiān)測策略為下一代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測材料的設(shè)計與開發(fā)提供了重要啟示。

為實現(xiàn)海洋環(huán)境中金屬設(shè)備的早期結(jié)構(gòu)健康診斷和腐蝕可視化監(jiān)測，開發(fā)了一種可拉伸的超分子SHM傳感器。該傳感器由腐蝕探針NPSi和PU彈性體組成，NPSi通過非共價作用與PU鏈結(jié)合，增強了材料的機械性能，并賦予其自愈合能力，能在高鹽度、多濕度、多溫度環(huán)境中使用。傳感器可作為涂層(Coating)或貼片(Patch)，用于設(shè)備全生命周期的全場監(jiān)測或局部實時診斷。通過捕捉Fe²⁺-NH₂-Phen配合物的顏色變化，傳感器實現(xiàn)了從腐蝕動力學(xué)到顏色信號的轉(zhuǎn)化。同時，傳感器具備離子識別特性，可制成離子響應(yīng)測試條（FeTP Strip），通過比色法間接監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)健康。圖像采集設(shè)備可記錄傳感器的響應(yīng)結(jié)果，并通過軟件實時評估結(jié)構(gòu)損傷規(guī)模、劣化狀態(tài)及局部腐蝕情況。該研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金經(jīng)費支持。論文第一作者是山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級碩士研究生焦德志，劉成寶教授為論文通訊作者。

圖1 AP-SHM柔性貼片和FeTP條的應(yīng)用，以及結(jié)構(gòu)失效信息的半定量轉(zhuǎn)化過程。

圖2 FeTP鐵離子靶向試紙離子響應(yīng)表征。

圖3 AP-SHM傳感器中腐蝕智能分析的示意圖及腐蝕關(guān)系構(gòu)建。

圖4 AP-SHM超分子探測器的離子響應(yīng)測試及海邊暴露測試。

圖5 AP-SHM超分子探測器嚴(yán)苛環(huán)境下的長期適應(yīng)性。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D4MH01233J

作者簡介：

劉成寶，男，中共黨員，畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)，現(xiàn)為山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)術(shù)教授、碩士生導(dǎo)師。一直從事海洋及苛刻環(huán)境下材料損傷失效機理、新型耐蝕防護材料設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)研究，包括特殊工況下防護涂層服役行為及延壽機制、涂層損傷原位檢測及可視化技術(shù)、自修復(fù)、導(dǎo)熱、抗結(jié)冰等功能復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計等。目前已在Materials Horizons, Corrosion Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Magnesium and Alloys等期刊上發(fā)表科研論文40余篇；已授權(quán)PCT發(fā)明專利1項，國內(nèi)發(fā)明專利3項。授權(quán)軟件著作權(quán)2項。入選山東科技大學(xué)“菁英計劃”A類人才支持，青島市“金種子”人才支持。主持了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、海洋涂料國家重點實驗室開放課題及企業(yè)橫向等項目。參與編寫《石墨烯改性功能涂料》專著。擔(dān)任《稀有金屬》青年編委，中國腐蝕與防護學(xué)會會員，山東省腐蝕與防護學(xué)會理事，青島市腐蝕與防護學(xué)會理事。