Nytt material registrerar mekanisk stress genom luminiscens

by Albert
Structural Health Diagnosis combined with IoT technology. Credit: Tomoki Uchiyama, Chao-Nan Xu et al.

Att identifiera sönderfallande infrastruktur är ibland lika svårt som att åtgärda den. Denna process har dock underlättats tack vare ett innovativt nytt material som utvecklats av forskare vid Tohoku University. Detaljer om resultaten publicerades i tidskriften Applied Physics Letters den 25 april 2024.

Materialet reagerar på mekaniska stimuli genom att registrera stresshistorik genom en självlysande effekt som kallas efterglöd. Denna information lagras under lång tid, och genom att applicera materialet på strukturers ytor kan forskarna observera förändringar i efterglödet för att avgöra hur mycket stress materialet har utsatts för.

”Det som gör vårt material verkligt innovativt är att det fungerar utan strömförsörjning, komplex utrustning eller observation på plats och enkelt kan kombineras med IoT-teknik”, påpekar Chao-Nan Xu, professor vid Tohoku University och studiens korresponderande författare.

I Japan har åldrande infrastruktur blivit ett stort problem, vilket har lett till en ökad efterfrågan på ny diagnostisk teknik som kan förebygga olyckor och/eller förlänga konstruktionernas livslängd.

Mekanoluminescerande material uppvisar luminescens när de stimuleras mekaniskt, och tekniker som sprickdetektering och spänningsvisualisering har utvecklats genom att applicera detta material på ytan av strukturer. Men luminescensen kan bara observeras vid tidpunkten för mekanisk stimulering, och information om tidigare mekaniska stimuli kan inte hämtas.

Denna studie representerar för första gången stressregistreringsfunktionen (MR) för multi-piezo mekanoluminescerande material Li0,12Na0,88NbO3 genom efterglöd. Till skillnad från traditionella ML-material som endast möjliggör realtidsmätning av mekanisk information, förväntas den nya MR-funktionen vara mycket värdefull för att fånga den historiska fördelningen av stress. Kredit: Tomoki Uchiyama, Chao-Nan Xu et al.

Denna studie representerar för första gången stressregistreringsfunktionen (MR) för multi-piezo mekanoluminescerande material Li0,12Na0,88NbO3 genom efterglöd. Till skillnad från traditionella ML-material som endast möjliggör realtidsmätning av mekanisk information, förväntas den nya MR-funktionen vara mycket värdefull för att fånga den historiska fördelningen av stress. Kredit: Tomoki Uchiyama, Chao-Nan Xu et al.

Forskare har undersökt olika material som kan registrera tidigare mekaniska belastningshistorier. Dessa material kombinerar vanligtvis stressluminiscenta material med ljuskänsliga material, vilket skapar ett system där materialet avger ljus som svar på mekanisk stress, och detta ljus kan bevaras och senare analyseras för att rekonstruera stresshistoriken.

Dessa material står dock inför flera utmaningar: komplexa skiktstrukturer, mörka reaktioner och långsiktig inspelningsprestanda. Även om vissa fluoroforer avslöjar tidigare belastningshistorik när de utsätts för värme, har tillämpningen dessutom varit begränsad till material som kan motstå höga temperaturer.

Xu och hennes kollegor upptäckte en enkel och miljövänlig metod för att registrera stress med hjälp av Pr-dopad Li0,12Na0,88NbO3 (LNNO). Denna LNNO hade en mekanisk inspelningsfunktion, vilket innebär att den kunde hämta även tidigare stresshändelser.

För att hämta information om tidigare stress appliceras LNNO som en beläggning på ytan av ett föremål och bestrålas sedan med en ficklampa. Efterglöden som produceras av LNNO kan mätas med hjälp av kameror eller ljussensorer.

Studien visade att bilden av efterglöden stämmer överens kvantitativt med de resultat som erhållits genom analys med finita elementmetoden. Dessutom bekräftade forskningen att LNNO behåller denna stressinformation även efter en period på fem månader.

”Våra resultat förväntas minska bristen på arbetskraft inom strukturell diagnostik och sänka kostnaderna”, tillägger Xu.

Ytterligare information: Tomoki Uchiyama et al, Direct recording and reading of mechanical force by afterglow evaluation of multi-piezo mechanoluminescent material Li0.12Na0.88NbO3 on well-designed morphotropic phase boundary, Applied Physics Letters (2024). DOI: 10.1063/5.0209065

Related Articles

Leave a Comment