Une peau intelligente à détection de contrainte développée à l’Université Rice qui utilise de très petites structures, des nanotubes de carbone, pour surveiller et détecter les dommages dans les grandes structures est prête pour les heures de grande écoute.
La « peinture de contrainte » révélée pour la première fois par Rice en 2012 utilise les propriétés fluorescentes des nanotubes pour montrer quand une surface a été déformée par le stress.
Désormais développé dans le cadre d’un système de surveillance optique sans contact connu sous le nom de S4, le revêtement multicouche peut être appliqué sur de grandes surfaces – ponts, bâtiments, navires et avions, pour commencer – où une contrainte élevée constitue une menace invisible.
Le projet dirigé par le chimiste de Rice Bruce Weisman, l’ingénieur en structure Satish Nagarajaiah et l’auteur principal et étudiant diplômé Wei Meng découle de la découverte en 2002 par Weisman que les nanotubes de carbone semi-conducteurs émettent une fluorescence à des longueurs d’onde proches de l’infrarouge. Il a ensuite développé des instruments optiques pour explorer les propriétés physiques et chimiques des nanotubes, notamment effets de déformation spectroscopiques, en 2008.
Indépendamment en 2004, Nagarajaiaah a proposé et développé un capteur de contrainte optique sans contact en utilisant des films de nanotubes de carbone liés à des éléments structuraux avec de l’époxy et sondés avec la spectroscopie Raman.
Leurs voies de recherche indépendantes ont fusionné en un projet commun en 2008 lorsque Weisman et Nagarajaiaah ont découvert que les nanotubes de carbone à paroi unique intégrés dans un polymère et liés à un élément structurel subiront la même contrainte et pourront la signaler optiquement par le biais de décalages spectraux dans leur proche infrarouge. fluorescence. Ils ont rapporté que la découverte dans un papier 2012.
« Les mesures de déformation sont souvent effectuées dans le cadre d’inspections liées à la sécurité », a déclaré Weisman. « Cette communauté technique est à juste titre conservatrice, car ses mesures doivent être fiables. Nous devons donc surmonter le scepticisme à l’égard des nouvelles méthodes en prouvant que la nôtre est aussi valable que celles établies.
« Cet article présente les références de notre méthode en tant que technologie de mesure de contrainte sérieuse », a-t-il déclaré.
Les détails du système sans contact de nouvelle génération apparaissent dans Rapports scientifiques.
La cartographie des déformations s’est appuyée sur deux technologies : les jauges physiques attachées aux structures et la corrélation d’images numériques (DIC), utilisée pour comparer les images prises au fil du temps des surfaces avec des « mouchetures » intégrées.
Weisman a déclaré que le S4 résiste facilement au DIC. Mieux encore, les deux techniques peuvent fonctionner ensemble. « Nous voulions faire une comparaison directe avec le DIC, qui est la seule méthode de cartographie commercialisée pour la souche », a-t-il déclaré. « Il est utilisé dans un certain nombre d’industries et les gens ont un niveau de confiance assez élevé en lui.
« Pour démontrer que notre méthode peut se tenir côte à côte avec elle et obtenir des résultats similaires ou meilleurs, Wei a conçu une méthode pour incorporer S4 et DIC afin que les deux techniques puissent être utilisées simultanément et même se compléter », a déclaré Weisman.
La peau elle-même comporte trois couches, leur configuration étant adaptée à la surface qu’elles recouvrent. En règle générale, un apprêt opaque contenant les mouchetures DIC est peint en premier. La deuxième couche est un polyuréthane transparent qui isole la base des nanotubes. Enfin, la couche de détection de nanotubes revêtus individuellement, en suspension dans du toluène, est pulvérisée sur le dessus. Le toluène s’évapore, laissant une couche de détection d’une épaisseur inférieure au micron de nanotubes liés à l’élément structurel. Une couche protectrice supplémentaire peut être appliquée par-dessus pour garder la peau active pendant des années.
Le système nécessite également un lecteur, dans ce cas un petit laser visible pour exciter les nanotubes et un spectromètre portable pour voir comment ils sont tendus.
Meng a soigneusement comparé S4 aux simulations DIC et informatiques lors de tests sur des barres acryliques en forme de I avec un trou ou une découpe, et sur des blocs de béton et des plaques d’aluminium percés de trous pour concentrer les modèles de déformation. Dans tous les cas, S4 a donné une vue précise et à haute résolution des spécimens stressés qui était comparable ou meilleure que les résultats DIC simultanés.
La mesure du béton posait un défi optique. « Nous avons découvert que le ciment dans le béton avait une émission intrinsèque dans le proche infrarouge qui interférait avec nos mesures de déformation », a déclaré Nagarajaiaah. « Wei a passé énormément de temps, en particulier pendant la pandémie, à travailler avec soin sur une nouvelle architecture pour bloquer ces signaux. »
Plutôt que la couche de base blanche habituelle, une base noire qui contient également les taches a servi à cela, a-t-il déclaré.
« Il y a un avantage supplémentaire du S4 par rapport au DIC que nous n’avions pas apprécié jusqu’à récemment », a déclaré Weisman. « C’est le fait que pour obtenir de bons résultats de DIC, il faut un haut niveau d’expertise de la part de l’opérateur. Les entreprises nous disent que seuls leurs ingénieurs sont qualifiés pour l’utiliser. C’est simple de prendre les données, mais l’interprétation demande beaucoup du jugement.
« Notre méthode est assez différente », a-t-il déclaré. « Il est presque aussi facile de prendre les données, mais l’analyse pour obtenir la carte des contraintes S4 est automatique. À long terme, ce sera un avantage. »
« Je n’ai aucun doute qu’il s’agit d’une méthode de cartographie des contraintes à la pointe de la technologie », a déclaré Nagarajaiaah. « Nous l’avons testé sur des éléments de structure en métal, en plastique et en béton présentant des microfissures complexes et des dommages souterrains, et cela fonctionne dans tous les cas. Je pense que nous avons atteint le stade où il est prêt à être mis en œuvre, et nous nous engageons avec l’industrie pour savoir comment elle peut les aider. »
Le chercheur sur le riz Sergei Bachilo et l’étudiant diplômé Ashish Pal sont co-auteurs de l’étude. Weisman est professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nagarajaiaah est professeur de génie civil et environnemental, de science des matériaux et de nano-ingénierie et de génie mécanique.
Wei Meng et al, Cartographie des contraintes optiques 2D de nouvelle génération avec peau intelligente à détection de contrainte par rapport à la corrélation d’images numériques, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-15332-1