2.自動反饋機制

根據(jù)顏色的來源，可以根據(jù)以下主要組：（1）基于化學(xué)和（2）基于物理的顏色變化?；诨瘜W(xué)的顏色變化來源于選擇性吸收和對特定波長電磁輻射的反射。詳見2.1節(jié)。顏色變化過程可以通過以下方式進行包含染料填充材料，如微膠囊或中空纖維，其在外力作用下破裂（見2.1.1節(jié)）（圖1（a））。或者，通過在聚合物基體中添加對機械刺激敏感的官能團（機械載體）。例如，可以使用顯示聚集誘導(dǎo)發(fā)射光（AIE）（見2.1.2節(jié)）（圖1（b））?；谖锢淼念伾兓c材料的形狀和折射率有關(guān)，而與其化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。事實上基于物理的顏色變化來源于光的散射方式，即被隨機或周期性結(jié)構(gòu)衍射（見2.2節(jié)）?；诓牧辖Y(jié)構(gòu)設(shè)計變換顏色，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和折射率，使一組材料可以產(chǎn)生各種顏色（參見2.2.1節(jié)）（圖1（c））。另一個方法是利用薄層復(fù)合傳感器，其中使用了由具有不同應(yīng)變失效比的纖維組成的混合物，例如碳層和透明玻璃層（見2.2.2節(jié)）界面玻璃/碳損傷區(qū)域可以產(chǎn)生清晰的視覺效果，可以檢測到諸如BVID之類的損害，以避免由于材料內(nèi)部損壞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)故障（圖1（d））。

圖1 不同機制的SHM應(yīng)用方法示例

2.1基于化學(xué)的顏色變化

可以通過以下方式自動反饋FRP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷將染料填充材料（如微膠囊）添加到涂層、薄膜、聚合物樹脂或聚合物與纖維之間的界面。這種含染料材料在預(yù)定的受力值下破裂導(dǎo)致釋放染料并轉(zhuǎn)移到受損區(qū)域，可以定量評估材料受損程度。圖2展示了各種方法染料填充玻璃鋼力學(xué)變色復(fù)合材料的設(shè)計方法。

圖2 基于染料填充材料的FRP機械變色復(fù)合材料的不同設(shè)計方法

染料填充材料主要以分散微膠囊的形式用于涂層或材料內(nèi)部。當(dāng)材料受到外力刺激時，視覺上可看出顏色變化。其原理與無碳復(fù)寫紙和壓敏記錄紙相同，材料內(nèi)部破損后釋放染料前體溶液并立即與顯影劑反應(yīng)，產(chǎn)生明亮的顏色。有研究表明不同的膠囊外殼和制備方法，可以設(shè)計具有相同主體聚合物的微膠囊化復(fù)合傳感器，擁有不同的荷載水平。因此，可以使用由多膠囊系統(tǒng)針對不同的材料或厚度進行定量和可視化設(shè)計。染料填充膠囊的優(yōu)點有工藝簡單、低成本和應(yīng)用范圍廣等。

圖3 基于染料填充膠囊的自動反饋機制的常規(guī)操作模式

基于染料填充膠囊的自動反饋機制的常規(guī)操作模式如圖3所示。第一種方法是“直接釋放”。在這種方法中，膠囊中的染料具有相同的光學(xué)特性膠囊破裂前后的特征區(qū)分受損區(qū)域和未受損區(qū)域，尤其是對于具有高微膠囊含量的復(fù)合材料（圖3（a））。Postiglione等人提出了一種具有防紫外線屏蔽聚脲外殼的膠囊，破裂時，在受損區(qū)域和未受損區(qū)域之間形成清晰的顏色對比。Di Credico的研究團隊為微膠囊配備了對紫外線敏感變色染料和紫外線屏蔽殼。黃色微膠囊受損傷后，在紫外線照射下變成紅色（圖4）。要實現(xiàn)顏色變化，釋放過程必須伴隨著改變光學(xué)行為的機制。因此，研究人員提出了其他操作方法，如“開啟”機制以及聚集引起的光學(xué)變化（見圖3（b））。使用濾光器或彩色顯影劑在完好（關(guān)閉）和損壞（打開）之間變換顏色。

第三種是組合兩種不同組分的膠囊（見圖3（c））。研究表明使用多種膠囊，可能導(dǎo)致材料顏色變化和自動反饋的誤差。為了避免這種問題，Weder等人開發(fā)了一種雙壁膠囊，這是一種新型膠囊制備方法（圖3（d））。雙壁膠囊包含一個脆弱的內(nèi)囊和柔性彈性外殼，因此，外部彈性外殼可以在受外力時變形而不破裂，僅內(nèi)囊破裂，可以控制顯影劑和染色劑不進入材料基體，避免染料外流導(dǎo)致的自動反饋的差異，從而表現(xiàn)出精準(zhǔn)的自動反饋功能（圖5（d））。這兩種膠囊（雙膠囊和雙壁膠囊）的制備方法示意圖如圖5（a）和（b）所示。

圖5 兩種膠囊（雙膠囊和雙壁膠囊）的制備方法示意圖

近期，陳等人通過Pickering乳液聚合開發(fā)了一種包含雙隔室的微膠囊，其中將兩種相互作用的物質(zhì)分別封裝在單個微膠囊中，黃色試樣在裝載后變?yōu)槌壬Ｑ芯勘砻?，微膠囊添加量1.5wt%時才能獲得顯著的顯色強度（圖6）。添加微膠囊也增加了基質(zhì)樹脂的彈性模量，反映了微膠囊的多功能性。Weder研究小組最近的研究報告了兩種不同的微膠囊基自動反饋復(fù)合材料的制備方法。一種機制是將含有溶劑化變色氰基二苯乙烯染料溶液的熒光微膠囊嵌入聚合物中，復(fù)合材料損傷時，染料溶液從微膠囊擴散到基質(zhì)中，溶劑蒸發(fā)。因此，染料分子周圍的極性會發(fā)生變化，從而熒光顯色。另一種方法是將含有特定溶劑的混合染料裝載微膠囊，其中溶劑的釋放會引發(fā)材料顏色的變化。兩種方法都可對材料損傷進行定量評估。

圖6 具有不同雙隔室微膠囊含量的樣品在拉伸前（a）和拉伸后（b）顯色情況

基于智能自修復(fù)復(fù)合材料的微膠囊設(shè)計不僅可以評估損傷情況，還可以根據(jù)修復(fù)情況產(chǎn)生顏色變化。例如，材料從嚴(yán)重受損的紅色變?yōu)橥耆謴?fù)的無色狀態(tài)（圖7）。盡管在過去十年中，研究人員越來越多地研究智能自修復(fù)聚合物材料，由于其制造和生產(chǎn)工藝的難度導(dǎo)致自修復(fù)聚合物材料不能廣泛應(yīng)用。染料在流出之前和之后都是相同的顏色。為突出自動反饋功能，即對比在完好和受損部位之間，染料釋放到受損區(qū)域時必須發(fā)出熒光或產(chǎn)生顏色的變化。Chen等人證明了這一點，其中基于雙功能微膠囊設(shè)計的復(fù)合材料，膠囊中包含聚集誘導(dǎo)發(fā)射發(fā)光原（AIEgens）。他們的智能涂層可以實現(xiàn)損傷的自動反饋并自動修復(fù)。如圖8所示涂有環(huán)氧樹脂涂層的鋼板表面破損（圖8（a））。涂有AIEgens-based微膠囊嵌入環(huán)氧涂層的鋼板表面可以自修復(fù)（圖8（b））。此外，使用和拍攝的照片在UV照射的情況下（圖8（c）和（d）），當(dāng)材料破損時，顯示出明亮的藍色熒光。Song等人開發(fā)了含有單個AIE熒光團的雙功能微膠囊涂層系統(tǒng)，涂層在損傷后會表現(xiàn)出弱強度的紅色熒光，損傷修復(fù)后，熒光顏色變?yōu)槌壬?/span>

圖7 基于同時擁有自動反饋功能和自修復(fù)功能材料的微膠囊設(shè)計

圖8 智能聚合物涂層中自動反饋與自修復(fù)功能的演示

通過這些材料的SHM過程通常是一次性完成的，設(shè)計靈感來自生物學(xué)中制造靶向藥物的微通道結(jié)構(gòu)材料，這些通道可用于輸送治療藥物定向進入受損區(qū)域。相對于微膠囊和中空纖維，這種設(shè)計方法可以精準(zhǔn)的在損傷區(qū)域反應(yīng)損傷情況并反復(fù)進行自修復(fù)。White等人開發(fā)的智能涂層中添加單體雙環(huán)戊二烯溶液，使涂層獲得反復(fù)自修復(fù)的功能。

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