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（三）

设计结构自动反馈复合材料的另一种可行方法是用机械敏感分子（机械载体）使聚合物或纤维功能化，从而改变其光学性质。Brun等人通过在树脂/纤维界面添加黄色荧光蛋白（参见图9）。通过该技术进行自动反馈与微胶囊相比，显著优势是其在分子水平上评估损伤，使其成为FRP复合材料纳米级损伤分析技术。

图9：Brun等人通过在树脂/纤维界面添加黄色荧光蛋白

最近由Shre等人使用螺吡喃（Spiropyran）作为自动反馈功能添加剂。材料损伤时将无色无荧光的螺吡喃转化为高度着色的荧光花青。观察到用螺吡喃可以从黄色变为紫色（见图10）。最近，Magrini等人报道了螺吡喃机械载体在设计和制造可报告损伤的复合材料方法。他们建立了拉伸变形和螺吡喃改性聚合物的发光强度，导致复合材料损伤的可视化、量化和预测断裂发生。

图10：周期性撞击材料表面颜色变化

这种含螺吡喃的材料为SHM应用提供了良好的材料选择。应当指出的是，注意材料在改性前后本身力学性能不受影响。此外，一些机械载体可以对温度或光的刺激做出反应。

使用发光剂也可以实现机械变色，且具有聚集诱导发射（AIE）特征。AIE的材料在SHM中的工作原理是，当它们溶解在溶剂中时，考虑到振动获得能量使电子处于激发态，由于分子内运动聚集导致发光。AIE分子已广泛应用于各种光电器件、化学传感和生物成像等，它们是聚合物SHM材料的可选项之一。AIE分子改性的自动反馈聚合物复合材料可以通过将AIE分子化学连接或分散到聚合物分子链中来获得。

Pucci等人将一组称为四苯基乙烯的AIE分子分散到聚（b-苯乙烯-b-丁二烯-苯乙烯）弹性体中，以制造具有荧光的智能薄膜。当该膜拉伸受力后，发出荧光，恢复到原始状态，荧光消失。由于四苯基乙烯的AIE效应，该复合膜的拉伸发光可以通过四苯基乙烯浓度和膜的厚度来控制。在其他研究中，四苯基乙烯用作功能涂层，以提高CFRP复合材料的损伤可见度。如图11（a）所示，冲击引起的损伤在紫外光下肉眼明显可见。Weder等人开发了嵌入硅橡胶中的含有AIE分子新型微胶囊。材料分别在冲击、拉伸和压缩载荷下进行了测试（图11（b））。最近，Lu等人设计了一种多层涂层（见图12），其中AIE分子具有红色、绿色和蓝色，封装在聚合物的不同层中，通过辨识发光颜色，可以评估材料损伤深度。

图11利用含有AIE分子涂层评估聚合物材料损伤情况

另一种类型的非常规发光聚合物，这种类型的AIE聚合物不含有任何共轭发色冠能团，但可以通过富集电子群的聚集诱导发光，显示出固有的固态荧光。在这种情况下，通过在材料变形过程中监测它们的荧光，可以精确地分析聚合物材料的损伤情况，有关详细信息已有研究报道。

图12 含有AIE分子的多层涂层材料

2.2.基于物理的颜色变化

2.2.1基于材料结构设计变换颜色

结构变色材料是指基于物理特性的颜色，由相互作用导致可见光干涉引起具有随机或周期性颜色变化。例如，定向二氧化硅基质中的二氧化硅颗粒会产生蛋白石特有的颜色，这是通过二氧化硅颗粒的微观结构和对光的折射率差异，在吸收光时导致光波取向呈现各向异性，宏观表现出众所周知的彩虹色。自然界中结构变色材料的实例见图13所示。

图13自然界中结构变色材料的实例

在此基础上，科学家们开发了人造光子晶体，它们可以在不同条件如热、光和机械受力的刺激下改变颜色。机械受力刺激与其他刺激相比颜色变化最明显。

光子晶体具有广泛的应用（色度传感器在工程结构SHM中的应用），它们应附着在基材上。然而传统的光子晶体由硬质材料制成，应变导致的机械变形不足以实现用肉眼观察的光学检测。为了解决这个问题，聚合物基光子晶体用低摩尔溶剂溶胀以形成弹性体材料。此外，另一个解决方案是采用光子凝胶，因为后者对机械刺激表现出更高地灵敏度，因此可以更好地用作机械变色传感器。

尽管目前已经在开发结构变色材料方面取得了一定的研究进展，但由于其复杂的性质，该技术仍然处于实验室研究阶段。然而，这不影响将其作为机械色度传感器来检测不同类型的工程结构损伤的巨大应用潜力。

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