自动反馈机械变色系统用于复合材料结构健康监测的研究进展（二）

2.自动反馈机制

根据颜色的来源，可以根据以下主要组：（1）基于化学和（2）基于物理的颜色变化。基于化学的颜色变化来源于选择性吸收和对特定波长电磁辐射的反射。详见2.1节。颜色变化过程可以通过以下方式进行包含染料填充材料，如微胶囊或中空纤维，其在外力作用下破裂（见2.1.1节）（图1（a））。或者，通过在聚合物基体中添加对机械刺激敏感的官能团（机械载体）。例如，可以使用显示聚集诱导发射光（AIE）（见2.1.2节）（图1（b））。基于物理的颜色变化与材料的形状和折射率有关，而与其化学性质无关。事实上基于物理的颜色变化来源于光的散射方式，即被随机或周期性结构衍射（见2.2节）。基于材料结构设计变换颜色，根据结构尺寸和折射率，使一组材料可以产生各种颜色（参见2.2.1节）（图1（c））。另一个方法是利用薄层复合传感器，其中使用了由具有不同应变失效比的纤维组成的混合物，例如碳层和透明玻璃层（见2.2.2节）界面玻璃/碳损伤区域可以产生清晰的视觉效果，可以检测到诸如BVID之类的损害，以避免由于材料内部损坏而导致的结构故障（图1（d））。

图1 不同机制的SHM应用方法示例

2.1基于化学的颜色变化

可以通过以下方式自动反馈FRP复合材料结构中的损伤将染料填充材料（如微胶囊）添加到涂层、薄膜、聚合物树脂或聚合物与纤维之间的界面。这种含染料材料在预定的受力值下破裂导致释放染料并转移到受损区域，可以定量评估材料受损程度。图2展示了各种方法染料填充玻璃钢力学变色复合材料的设计方法。

图2 基于染料填充材料的FRP机械变色复合材料的不同设计方法

染料填充材料主要以分散微胶囊的形式用于涂层或材料内部。当材料受到外力刺激时，视觉上可看出颜色变化。其原理与无碳复写纸和压敏记录纸相同，材料内部破损后释放染料前体溶液并立即与显影剂反应，产生明亮的颜色。有研究表明不同的胶囊外壳和制备方法，可以设计具有相同主体聚合物的微胶囊化复合传感器，拥有不同的荷载水平。因此，可以使用由多胶囊系统针对不同的材料或厚度进行定量和可视化设计。染料填充胶囊的优点有工艺简单、低成本和应用范围广等。

图3 基于染料填充胶囊的自动反馈机制的常规操作模式

基于染料填充胶囊的自动反馈机制的常规操作模式如图3所示。第一种方法是“直接释放”。在这种方法中，胶囊中的染料具有相同的光学特性胶囊破裂前后的特征区分受损区域和未受损区域，尤其是对于具有高微胶囊含量的复合材料（图3（a））。Postiglione等人提出了一种具有防紫外线屏蔽聚脲外壳的胶囊，破裂时，在受损区域和未受损区域之间形成清晰的颜色对比。Di Credico的研究团队为微胶囊配备了对紫外线敏感变色染料和紫外线屏蔽壳。黄色微胶囊受损伤后，在紫外线照射下变成红色（图4）。要实现颜色变化，释放过程必须伴随着改变光学行为的机制。因此，研究人员提出了其他操作方法，如“开启”机制以及聚集引起的光学变化（见图3（b））。使用滤光器或彩色显影剂在完好（关闭）和损坏（打开）之间变换颜色。

第三种是组合两种不同组分的胶囊（见图3（c））。研究表明使用多种胶囊，可能导致材料颜色变化和自动反馈的误差。为了避免这种问题，Weder等人开发了一种双壁胶囊，这是一种新型胶囊制备方法（图3（d））。双壁胶囊包含一个脆弱的内囊和柔性弹性外壳，因此，外部弹性外壳可以在受外力时变形而不破裂，仅内囊破裂，可以控制显影剂和染色剂不进入材料基体，避免染料外流导致的自动反馈的差异，从而表现出精准的自动反馈功能（图5（d））。这两种胶囊（双胶囊和双壁胶囊）的制备方法示意图如图5（a）和（b）所示。

图5 两种胶囊（双胶囊和双壁胶囊）的制备方法示意图

近期，陈等人通过Pickering乳液聚合开发了一种包含双隔室的微胶囊，其中将两种相互作用的物质分别封装在单个微胶囊中，黄色试样在装载后变为橙色。研究表明，微胶囊添加量1.5wt%时才能获得显著的显色强度（图6）。添加微胶囊也增加了基质树脂的弹性模量，反映了微胶囊的多功能性。Weder研究小组最近的研究报告了两种不同的微胶囊基自动反馈复合材料的制备方法。一种机制是将含有溶剂化变色氰基二苯乙烯染料溶液的荧光微胶囊嵌入聚合物中，复合材料损伤时，染料溶液从微胶囊扩散到基质中，溶剂蒸发。因此，染料分子周围的极性会发生变化，从而荧光显色。另一种方法是将含有特定溶剂的混合染料装载微胶囊，其中溶剂的释放会引发材料颜色的变化。两种方法都可对材料损伤进行定量评估。

图6 具有不同双隔室微胶囊含量的样品在拉伸前（a）和拉伸后（b）显色情况

基于智能自修复复合材料的微胶囊设计不仅可以评估损伤情况，还可以根据修复情况产生颜色变化。例如，材料从严重受损的红色变为完全恢复的无色状态（图7）。尽管在过去十年中，研究人员越来越多地研究智能自修复聚合物材料，由于其制造和生产工艺的难度导致自修复聚合物材料不能广泛应用。染料在流出之前和之后都是相同的颜色。为突出自动反馈功能，即对比在完好和受损部位之间，染料释放到受损区域时必须发出荧光或产生颜色的变化。Chen等人证明了这一点，其中基于双功能微胶囊设计的复合材料，胶囊中包含聚集诱导发射发光原（AIEgens）。他们的智能涂层可以实现损伤的自动反馈并自动修复。如图8所示涂有环氧树脂涂层的钢板表面破损（图8（a））。涂有AIEgens-based微胶囊嵌入环氧涂层的钢板表面可以自修复（图8（b））。此外，使用和拍摄的照片在UV照射的情况下（图8（c）和（d）），当材料破损时，显示出明亮的蓝色荧光。Song等人开发了含有单个AIE荧光团的双功能微胶囊涂层系统，涂层在损伤后会表现出弱强度的红色荧光，损伤修复后，荧光颜色变为橙色。

图7 基于同时拥有自动反馈功能和自修复功能材料的微胶囊设计

图8 智能聚合物涂层中自动反馈与自修复功能的演示

通过这些材料的SHM过程通常是一次性完成的，设计灵感来自生物学中制造靶向药物的微通道结构材料，这些通道可用于输送治疗药物定向进入受损区域。相对于微胶囊和中空纤维，这种设计方法可以精准的在损伤区域反应损伤情况并反复进行自修复。White等人开发的智能涂层中添加单体双环戊二烯溶液，使涂层获得反复自修复的功能。

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