香港理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)了一種嶄新的納米復(fù)合材料傳感器，可直接噴涂于平坦或彎曲的工程結(jié)構(gòu)，如火車路軌和飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

噴涂出來的傳感器可以進(jìn)一步構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為受監(jiān)測的結(jié)構(gòu)提供實(shí)時及豐富的結(jié)構(gòu)健康狀況信息。

納米復(fù)合材料傳感器由理大機(jī)械工程學(xué)系的蘇眾慶教授、周利民教授及以他們?yōu)槭椎膱F(tuán)隊(duì)研發(fā)，采用創(chuàng)新的噴涂技術(shù)制成，使傳感器安裝過程比傳統(tǒng)方法更快捷和具效率。這種新技術(shù)也令該傳感器適用于多種工程結(jié)構(gòu)表面，提高了它的靈活性。

蘇教授說：“該新型納米復(fù)合材料傳感器在‘傳感成本’和‘傳感成本’之間取得了平衡，能同時兼顧傳感器的成本及傳感器網(wǎng)絡(luò)所捕獲的數(shù)據(jù)量兩個因素，為實(shí)現(xiàn)原位振動感測、以超聲波為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)開辟了新思路。!”

新技術(shù)減省成本及提高靈敏度

納米復(fù)合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導(dǎo)電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成，可根據(jù)各種工程應(yīng)用的需要，輕易和靈活地制成不同的尺寸大小。

新的納米復(fù)合材料傳感器由于優(yōu)化了混合物的納米結(jié)構(gòu)，能敏感地偵測到結(jié)構(gòu)的改變，它能識別納米復(fù)合材料對不同壓阻的回饋。

該新技術(shù)中，每一個傳感器都通過印刷在結(jié)構(gòu)上的電線連接到網(wǎng)絡(luò)，透過分析和比較由電阻率轉(zhuǎn)換而成的電信號，便可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的缺陷，同時將信號轉(zhuǎn)換為三維圖像。

體重輕且成本低

這種傳感器重量極輕，而且制造成本低廉，可大量采用以檢測隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的問題，有助開創(chuàng)以超聲波為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新時代。

它包含一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，由多個納米復(fù)合材料傳感器及一個超聲波換能器組成，可主動探測安裝了該傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的健康狀況，快速及準(zhǔn)確地顯示該結(jié)構(gòu)是否有損壞。

傳感器會接收及量度超聲波換能器發(fā)出的超聲導(dǎo)波，如結(jié)構(gòu)有損壞，例如出現(xiàn)裂縫，超聲導(dǎo)波的傳播會受損壞的地方干擾，因而出現(xiàn)特有的波散射現(xiàn)象，并為傳感網(wǎng)絡(luò)所記錄。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來的一體化系統(tǒng)，可基于超聲導(dǎo)波的散射準(zhǔn)確地檢測及量化結(jié)構(gòu)損壞的情況。

據(jù)悉，傳統(tǒng)超聲波傳感器采用壓電材料制作，成本是十多美元，重?cái)?shù)克;而這個新一代納米復(fù)合材料傳感器的成本僅0.5美元，重0.04克。

因此，一個結(jié)構(gòu)可同時使用更多傳感器，以獲得更豐富的信息作分析，同時又不會給結(jié)構(gòu)帶來明顯的負(fù)重。

靈活性較好，可適用于彎曲的結(jié)構(gòu)表面

此外，這款納米復(fù)合材料傳感器有極佳的靈活性，適用于彎曲的結(jié)構(gòu)表面，可廣泛地應(yīng)用在各種工程結(jié)構(gòu)，即使是在移動結(jié)構(gòu)的表面亦同樣可以噴涂方式安裝，實(shí)時傳送結(jié)構(gòu)的健康信息。

響應(yīng)頻率更廣闊

這款納米復(fù)合材料傳感器可量度由靜止至900千赫茲的微小幅度的超聲波信號。這技術(shù)能在超聲波系統(tǒng)采集散射波，從而檢測大部份工程物料中微細(xì)至一至二毫米的裂縫，響應(yīng)頻率比現(xiàn)有納米復(fù)合材料傳感器(根據(jù)國際期刊現(xiàn)有的報(bào)道)的響應(yīng)頻率高出400多倍。

雖然傳統(tǒng)超聲波傳感器可量度的超聲波范圍，比這款納米復(fù)合材料傳感器的響應(yīng)頻率更廣闊，但傳統(tǒng)傳感器的重量及成本均較高，難以大量使用構(gòu)成大型傳感器網(wǎng)絡(luò)，故此只能帶來有限的數(shù)據(jù)資料。在眾多工程實(shí)際應(yīng)用中，特別是針對航空航天結(jié)構(gòu)，使用有很大的限制。

這項(xiàng)嶄新研究最近在其所屬領(lǐng)域的頂級期刊發(fā)表，包括《ultrasonics》、《carbon》及《smart materials and structures》等!