肖雨欣，馮鈺博，王嘉祿，梁秋菊，于濤

1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710129

2.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100

由于航空航天飛行器長期在極端惡劣環(huán)境中運(yùn)行，航空航天設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和安全性面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。除需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足氣動(dòng)需求、工藝性要求外，其使用過程的維護(hù)要求也至關(guān)重要。歷史上曾經(jīng)發(fā)生的一些航空航天事故正是由設(shè)備的破損和故障所致的。如2003年“哥倫比亞號”航天飛機(jī)事故便是因脫落的材料撞擊到飛機(jī)左翼前緣造成了裂縫。當(dāng)航天飛機(jī)高速返回時(shí)大量氣體沖入破損處，摧毀了機(jī)翼內(nèi)含的傳感器，釀成了整個(gè)航天飛機(jī)在空中解體的慘案。慘痛的歷史教訓(xùn)表明，開展航空航天領(lǐng)域的前沿技術(shù)研究，特別是破損檢測技術(shù)的不斷完善，對于提高航空航天設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

目前，應(yīng)用于航天器材料的破損無損監(jiān)測技術(shù)主要有X射線探傷技術(shù)、超聲探傷技術(shù)、熒光滲透探傷技術(shù)[1],以及渦流檢測和脈沖雷達(dá)熱波等[2]。然而，以上的破損檢測技術(shù)僅能應(yīng)用于航天設(shè)備的“發(fā)射前”或“回收后”，能應(yīng)用于航天設(shè)備運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)破損檢測技術(shù)卻鮮有報(bào)道。材料裂紋的實(shí)時(shí)監(jiān)測對飛行器損傷容限/疲勞試驗(yàn)、保證服役過程中的安全性和可靠性等具有重要意義[3]。理想的航空航天設(shè)備所需的實(shí)時(shí)破損監(jiān)測技術(shù)主要存在三個(gè)需求：（1）即時(shí)響應(yīng)性。一旦設(shè)備發(fā)生破損，便可以立即響應(yīng)。（2）高靈敏性。對于非常微小的損傷也可以有明顯響應(yīng)。（3）信號易于監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的捕捉，且具有簡易、輕便的特性。

近年來，隨著材料領(lǐng)域日新月異的發(fā)展，摩擦發(fā)光材料逐漸走進(jìn)科學(xué)家們的視野。摩擦發(fā)光，也稱力致發(fā)光，是指一類材料在如摩擦、拉伸、擠壓、碰撞等外力作用下，將外力所賦予的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為光能并對外釋放的發(fā)光現(xiàn)象[4]。與傳統(tǒng)的發(fā)光材料相比，摩擦發(fā)光材料不僅具有獨(dú)特的應(yīng)力激發(fā)方式，無須外加電源或光源，而且對外界應(yīng)力刺激具有明顯的響應(yīng)性?；谏鲜龅膬牲c(diǎn)特征，摩擦發(fā)光材料如今在新型光源、生物成像、商標(biāo)防偽、信息加密、應(yīng)力傳感、材料破損監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值， 有望成為航天設(shè)備實(shí)時(shí)破損檢測的重要手段。因此，近年來，摩擦發(fā)光材料的研究備受關(guān)注，逐漸成為光電材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文綜述了基于摩擦發(fā)光材料的應(yīng)力傳感技術(shù)及其研究進(jìn)展，并對其在航空航天破損監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 摩擦發(fā)光材料研究現(xiàn)狀

摩擦發(fā)光材料按材料組成細(xì)分，主要可以分為有機(jī)摩擦發(fā)光材料和無機(jī)摩擦發(fā)光材料兩種。通常認(rèn)為，有機(jī)摩擦發(fā)光材料一般具有非中心對稱結(jié)構(gòu)和壓電性質(zhì)，然而其發(fā)光機(jī)理尚不明確。而無機(jī)摩擦發(fā)光材料則有著發(fā)光亮度強(qiáng)、響應(yīng)靈敏度高等特性，但由于其主要由貴金屬元素構(gòu)成，不僅價(jià)格昂貴，同時(shí)也相比有機(jī)材料的毒性較大，這一弊端限制了它的發(fā)展。我們將這兩類材料的特性總結(jié)于表1 中，以便于讀者對照。有機(jī)摩擦發(fā)光材料發(fā)展至今，因其易于通過改變官能團(tuán)而改變材料自身的偶極矩，目前主要可以分為酰亞胺類、三苯胺類、四苯乙烯類、吩噻嗪類、咔唑類等材料。這類材料具有合成簡單、成本低廉、毒性較小、發(fā)光范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來引起了人們的高度關(guān)注。

表1 摩擦發(fā)光材料特性總結(jié)Table 1 Summary of triboluminescent material properties

1.1 N-苯基酰亞胺類

N-苯基酰亞胺類材料因其易于合成與修飾官能團(tuán)，自2012 年H.Nakayama 等[5]首次報(bào)道了具有不對稱結(jié)構(gòu)的酰亞胺衍生物的摩擦發(fā)光性質(zhì)后，目前已開發(fā)出一系列具有摩擦發(fā)光性質(zhì)的材料，如圖1（a）所示。對這類材料進(jìn)行X射線晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，由于具有非中心對稱的分子排列，它們大多具有較大的偶極矩，因此表現(xiàn)出強(qiáng)烈的壓電效應(yīng)，故而有利于產(chǎn)生明亮的摩擦發(fā)光。另外，除通過在N-苯基酰亞胺的主體結(jié)構(gòu)中引入強(qiáng)吸電子基團(tuán)三氟甲基（-CF3）增大偶極矩外，科研人員還通過在苯基上引入富含π 電子的噻吩、萘等基團(tuán)，將這系列材料的摩擦發(fā)光從藍(lán)光范疇調(diào)節(jié)到了可見光的范疇[4]。此外，萘基自身所富含的大量電子及其結(jié)構(gòu)所具有的剛性，使材料具有較大的偶極矩和共軛，分子呈片層狀排列，多種的分子間弱相互作用如氫鍵、CH···π相互作用等共同作用增加了分子間的束縛，抑制非輻射躍遷過程，提高其摩擦發(fā)光時(shí)的熒光量子效率。研究認(rèn)為，其之所以能夠展現(xiàn)出摩擦發(fā)光，是因?yàn)槠渚哂袎弘娦?yīng)，而這類壓電晶體的裂紋表面帶電，材料和周圍的氮?dú)鈿怏w被電子放電激發(fā)后，產(chǎn)生了摩擦發(fā)光的現(xiàn)象。值得一提的是，酰亞胺衍生物具有良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性，并且即使在充分研磨后也能很好地保持摩擦發(fā)光性質(zhì)。

圖1 N-苯基酰亞胺類結(jié)構(gòu)及其摩擦發(fā)光圖像[5-6]Fig.1 Partial structures οf N-phenylimides and their tribοluminescence phοtοs[5-6]

1.2 三苯胺類

三苯胺體系作為同樣含有氮雜原子的強(qiáng)給電子基團(tuán)，通常通過與另一強(qiáng)吸電子的基團(tuán)相連接便可得到偶極矩較大的材料，這類強(qiáng)吸電子基團(tuán)通常包括醛基、羧基、氟原子等。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)并合成的苯甲醛取代的三苯胺衍生物晶體屬于非中心對稱空間群，在分子本身具有較大的偶極矩和豐富的分子間弱相互作用力來抑制非輻射躍遷過程的共同作用下，該化合物在外力的刺激下能產(chǎn)生明顯的綠光的摩擦發(fā)光。該課題組后續(xù)通過在三苯胺衍生物不同的位點(diǎn)上，引入不同的鹵素原子，得到的扭曲結(jié)構(gòu)的材料在眾多分子間弱相互作用力的作用下，展現(xiàn)出了明亮的摩擦發(fā)光現(xiàn)象，如圖2 所示[8]。 其相關(guān)工作也表明，分子間堆積的緊密程度與摩擦發(fā)光性質(zhì)的有無結(jié)果并不具有直接的關(guān)聯(lián)[9]。通過對其設(shè)計(jì)的10 種含有不同鹵原子且取代位置不同的三苯胺衍生物展開研究發(fā)現(xiàn)，松散堆積的晶體在外界力的刺激下相較而言晶格更容易坍塌，雖然具有強(qiáng)分子間相互作用的緊密堆積的晶體可以減少非輻射弛豫導(dǎo)致的能量損失，從而實(shí)現(xiàn)明亮的摩擦發(fā)光。但是，如果分子堆積過于緊密，晶體由于具有強(qiáng)的剛性而不易破碎，反而會(huì)導(dǎo)致較弱的摩擦發(fā)光。

圖2 三苯胺衍生物的結(jié)構(gòu)及摩擦發(fā)光性質(zhì)[8]Fig.2 The structure οf triphenylamine derivatives and their tribοluminescent prοperties[8]

1.3 四苯乙烯類

四苯乙烯體系為人所著稱的是其所具有的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的四苯乙烯衍生物在摩擦發(fā)光材料領(lǐng)域也發(fā)展眾多。值得一提的是，李振課題組報(bào)道了四甲氧基取代的四苯乙烯衍生物，該材料可以培養(yǎng)出有兩種空間群的晶體，故而表現(xiàn)出完全不同的摩擦發(fā)光性質(zhì)。非中心對稱的P21（c）晶群的晶體展示出明顯的藍(lán)光摩擦發(fā)光性質(zhì)，而C2晶群的晶體則沒有觀察到摩擦發(fā)光。此外，P21（c）晶群中眾多的弱相互作用位點(diǎn)進(jìn)一步抑制了材料的非輻射躍遷過程，大大提升了其發(fā)光量子效率[10]。

本文通過賦予有機(jī)摩擦發(fā)光分子可逆光致變色特性，構(gòu)建有機(jī)光開關(guān)摩擦發(fā)光材料（ο-TPF），其在結(jié)晶態(tài)時(shí)被摩擦后發(fā)出明亮的藍(lán)色光，并表現(xiàn)出明顯的光致變色特性（顏色從白色到紫紅色）。這項(xiàng)工作還實(shí)現(xiàn)了一種簡單的限定應(yīng)力監(jiān)測范圍的應(yīng)力傳感裝置，如圖3 所示[11]?；诓牧峡赏ㄟ^光照實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)光性質(zhì)的“開—關(guān)”調(diào)節(jié)的特性，在應(yīng)力監(jiān)測前，可通過掩模版和紫外光限定應(yīng)力監(jiān)測范圍，從而為光控限域應(yīng)力傳感提供了基礎(chǔ)，效果圖如圖3（b）所示。研究表明，ο-TPF 獨(dú)特的光開關(guān)摩擦發(fā)光特性歸因于在光致變色過程中ο-TPF 和c1-TPF 之間的偶極矩的可逆性變化，因而實(shí)現(xiàn)了具有高穩(wěn)定性和可重復(fù)性的光開關(guān)摩擦發(fā)光。這項(xiàng)工作為下一代光開關(guān)有機(jī)摩擦發(fā)光材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了新的策略，并促進(jìn)了其在高分辨率靶向應(yīng)力傳感、材料損傷監(jiān)測、多層信息加密等方面的應(yīng)用。

1.4 吩噻嗪類

吩噻嗪作為含有富電子的氮和硫雜原子的雜環(huán)化合物，其豐富的孤對電子令n→π*躍遷更容易發(fā)生，對其發(fā)光效率特別是系間竄越速率的增強(qiáng)大有幫助。此外，吩噻嗪自身的蝴蝶狀分子結(jié)構(gòu)能在一定程度上阻礙分子間π-π堆積的形成，從而抑制非輻射躍遷?？蒲腥藛T基于吩噻嗪類衍生物設(shè)計(jì)出了不少非中心對稱結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)光材料[12-14]。

2015年，文獻(xiàn)[12]將吩噻嗪與二苯砜連接，在外力刺激下晶體碎裂，晶體的碎裂面積累正負(fù)電荷，電子放電激發(fā)分子發(fā)光，受益于材料自身存在的扭曲構(gòu)型電荷轉(zhuǎn)移發(fā)光所導(dǎo)致的固態(tài)高的熒光量子效率，該摩擦發(fā)光材料在外力刺激下，即便是在日光的條件下也能夠看到明亮的綠光。2022年，該課題組還通過簡單地改變吩噻嗪衍生物Br-BPZ中溴原子所在二苯甲酮基團(tuán)上的取代位置，實(shí)現(xiàn)了對摩擦發(fā)光性質(zhì)的特征從無、穩(wěn)定到動(dòng)態(tài)特性的調(diào)控。其中，p-Br-BPZ隨研磨時(shí)間的延長而表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)摩擦發(fā)光，其摩擦發(fā)光顏色從藍(lán)色逐步變?yōu)榘咨罱K變?yōu)辄S色[14]，如圖4所示。這項(xiàng)工作為動(dòng)態(tài)摩擦發(fā)光材料的設(shè)計(jì)與調(diào)控提供了新的見解與思路。

圖4 p-Br-BPZ的動(dòng)態(tài)調(diào)控光譜及圖片[14]Fig.4 Dynamic regulatοry spectra and pictures οf p-Br-BPZ[14]

1.5 咔唑類

咔唑類衍生物不僅具有芳香族的大共軛電子云，還具有氮雜原子以及其帶有的孤對電子，因而常被用于設(shè)計(jì)合成有機(jī)力致發(fā)光材料。咔唑類摩擦發(fā)光材料主要有N-異丙基咔唑、N-己基咔唑、N-苯基咔唑等。

2021年，李振課題組通過調(diào)整一系列從甲基到正辛基不同長度的烷基鏈，合成了一系列含羰基的咔唑衍生物。偶數(shù)烷基鏈化合物表現(xiàn)出高效的摩擦發(fā)光，這可能與其晶格系統(tǒng)中豐富的氫鍵相關(guān)。此外，通過將辛基酰胺咔唑（CAC-8）作為主體材料，在其中摻進(jìn)各類有機(jī)染料，成功實(shí)現(xiàn)了從藍(lán)色到紅色的多色摩擦發(fā)光的調(diào)節(jié)[15]。作者團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過將近紅外發(fā)光材料Pt(ⅠⅠ)F20TPPL 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%摻進(jìn)N-己基咔唑中，成功實(shí)現(xiàn)了其摩擦發(fā)光從本身的藍(lán)光變?yōu)槿庋鄄豢梢姷慕t外摩擦發(fā)光（746nm）[16]，這種發(fā)生在主體材料和客體材料之間的能量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的新型摩擦發(fā)光材料也是現(xiàn)今有機(jī)摩擦發(fā)光材料的一種發(fā)展趨勢。

1.6 無機(jī)類

無機(jī)摩擦發(fā)光現(xiàn)象目前仍沒有公認(rèn)的普適理論能夠解釋整個(gè)物理過程。堿金屬鹵代鹽[17-18]、稀土元素?fù)诫s的陶瓷材料[19-22]、過渡金屬有機(jī)配合物[23-25]等都可以產(chǎn)生摩擦發(fā)光現(xiàn)象，其機(jī)理主要分為壓電效應(yīng)誘導(dǎo)為主的彈性力致發(fā)光、靜電相互作用引起的塑性摩擦發(fā)光等[23]。除此之外，據(jù)研究報(bào)道，絕大多數(shù)材料的摩擦發(fā)光強(qiáng)度與外加應(yīng)力在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，但在特殊情況下，摩擦發(fā)光這一現(xiàn)象對外界應(yīng)力的響應(yīng)也存在非線性的情況，有待科學(xué)家們持續(xù)探索。

2 摩擦發(fā)光材料應(yīng)用現(xiàn)狀

對于金屬或復(fù)合材料航天器結(jié)構(gòu)，在役條件和失效模式通常很復(fù)雜，因而無法準(zhǔn)確預(yù)測。正因如此，航空航天行業(yè)通常使用保守的基于時(shí)間或基于使用的定期維護(hù)做法，這些做法過于耗時(shí)、勞動(dòng)密集且成本很高。此外，隨著結(jié)構(gòu)老化，維護(hù)服務(wù)頻率和成本增加，性能和可用性降低。確保結(jié)構(gòu)安全的一種可能方法是經(jīng)常檢查結(jié)構(gòu)并了解其結(jié)構(gòu)狀況。使用基于條件的維護(hù)與連續(xù)的結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測相結(jié)合方法，可以顯著降低檢測成本。摩擦發(fā)光因上述的靈敏性而在破損檢測方面可以得到廣泛應(yīng)用。目前，廣泛將摩擦發(fā)光材料，即高分子復(fù)合層或者摩擦發(fā)光材料涂層與目標(biāo)結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，再采用適當(dāng)?shù)姆绞教綔y發(fā)光信號及分布，從而推算出結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力。

摩擦發(fā)光材料現(xiàn)已可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，目前的研究已可以檢測股骨活動(dòng)時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度，未來有望應(yīng)用于航空航天設(shè)備的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。K.Hyοdο等[26]將摩擦發(fā)光材料涂在合成股骨表面，制成力致發(fā)光合成股骨，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在1.8kN垂直載荷振幅的情況下，股骨頸部分在270ms 內(nèi)成像達(dá)到最大變化。該技術(shù)作為智能篩查工具，有助于各種生物力學(xué)分析。如比較不同設(shè)計(jì)的人工關(guān)節(jié)連接后的應(yīng)力分布，闡明每個(gè)設(shè)計(jì)對骨骼動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響。

圖5 力致發(fā)光合成股骨[26]Fig.5 Frictiοnal luminescent materials fοr real-time structural mechanics [26]

在 碰 撞 傳感方 面，R.Fοntenοt 等[27]開 發(fā)了 一 種 將EuD4TEA與聚合物相結(jié)合的碰撞傳感器。這項(xiàng)研究表明，通過增加基底材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的濃度，可以顯著地改變摩擦發(fā)光的強(qiáng)度。在高濃度下，PMMA可產(chǎn)生對低速?zèng)_擊完全不敏感的化合物，因此可以設(shè)計(jì)僅在給定閾值以上被觸發(fā)的傳感器。EuD4TEA 與PMMA 的薄層可以發(fā)出被陽光激活的明亮紅光，在正午陽光等明亮的光線條件下可見。當(dāng)前用于航天器和飛機(jī)損傷檢測和監(jiān)測的技術(shù)不能提供原位和分布式傳感，定期無損檢測所需的停機(jī)時(shí)間產(chǎn)生的相關(guān)成本可能較高，摩擦發(fā)光聚合物傳感器可能能夠彌補(bǔ)有關(guān)技術(shù)的不足。

在裂紋傳感方面，徐超男等[28]也研究了裂紋張開和疲勞裂紋擴(kuò)展的記錄系統(tǒng)，使用力致發(fā)光傳感器成功地通過響應(yīng)位置和強(qiáng)度重新記錄了裂紋尖端的擴(kuò)展軌跡和尖端周圍的應(yīng)力強(qiáng)度因子，圖6（a）中虛線表示應(yīng)用摩擦發(fā)光片式傳感器的區(qū)域。在10min的積分時(shí)間內(nèi)成功地檢測到了橋梁在一般交通情況下的裂紋張開位移，如圖6（b）所示。該成果體現(xiàn)了力致發(fā)光傳感器在可焊性、無鉛性、低成本等方面的顯著優(yōu)勢，滿足社會(huì)對基礎(chǔ)設(shè)施上應(yīng)力/損傷累計(jì)歷史檢測記錄的需求。此外，Y.Fujiο等[29]利用由無機(jī)摩擦發(fā)光材料SrAl2O4∶Eu 和環(huán)氧樹脂組成的力致發(fā)光傳感器，開發(fā)了一種檢測高壓儲(chǔ)氫鋼瓶內(nèi)表面裂紋（內(nèi)裂紋）的新的無損評估技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)為了觀察容器內(nèi)部裂紋，將片狀力致發(fā)光傳感器連接到經(jīng)受最大壓力為45MPa的液壓循環(huán)的存儲(chǔ)缸的外表面上。力致發(fā)光模式隨著循環(huán)次數(shù)的增加而改變，并且力致發(fā)光傳感器可以可視化內(nèi)部裂紋，如圖7 所示。有限元法的應(yīng)力分析表明，力致發(fā)光傳感器提供了與裂紋尖端應(yīng)力集中相關(guān)的獨(dú)特等效應(yīng)變分布，具有高等效應(yīng)變的兩點(diǎn)之間的距離與裂紋深度成反比，使用附著在外表面上的力致發(fā)光傳感器對內(nèi)部裂紋的生長行為進(jìn)行了無損量化。該技術(shù)作為一種無損評估技術(shù)，可能有助于解決航天器負(fù)載的易燃?xì)怏w存儲(chǔ)過程中的安全問題。

圖6 摩擦發(fā)光系統(tǒng)監(jiān)測橋梁梁面[28]Fig.6 Frictiοnal luminescent system fοr mοnitοring bridges[28]

圖7 不同循環(huán)疲勞試驗(yàn)中獲得的鋼瓶外壁摩擦發(fā)光圖像[29]Fig.7 Tribοluminescence images οf cylinder wall οbtained frοm fatigue tests οf different cycles[29]

除此之外，在實(shí)時(shí)損傷傳感方面，O.Okοli 等[30]通過對嵌入式ⅠTOF 傳感器用于黏合復(fù)合材料接頭實(shí)時(shí)原位損傷檢測的有效性的研究，討論了摩擦發(fā)光強(qiáng)度與膠黏劑斷裂韌性的關(guān)系。ⅠTOF 傳感器可在不產(chǎn)生任何錯(cuò)與信號的情況下檢測由于純剪切引起的黏合接頭的損壞；摩擦發(fā)光強(qiáng)度隨著膠結(jié)接頭斷裂韌性的增大而增大，傳感器信號是損傷嚴(yán)重程度的函數(shù)，損傷越嚴(yán)重，摩擦發(fā)光強(qiáng)度越高。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究成果證明，ⅠTOF傳感器用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片黏合接頭中實(shí)時(shí)損傷傳感具有可行性，有望在未來進(jìn)一步應(yīng)用于航空航天設(shè)備的葉片接頭實(shí)時(shí)損傷檢測。徐超男等[31]還提出了一種可擴(kuò)展的彈性發(fā)光應(yīng)變傳感器，用于解決從微米到米尺度的結(jié)構(gòu)診斷問題。該團(tuán)隊(duì)的工作證明了新開發(fā)的可擴(kuò)展彈性發(fā)光應(yīng)變傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度和精確的動(dòng)態(tài)應(yīng)變成像，該成果在高靈敏度彈性發(fā)光傳感器和動(dòng)態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變成像的定量評估方面都取得了重大進(jìn)展，展示了大型基礎(chǔ)設(shè)施上應(yīng)力/應(yīng)變的精確動(dòng)態(tài)成像、現(xiàn)場斷裂檢查和危險(xiǎn)級別（應(yīng)力集中）診斷，如圖8 所示的在城市高速公路外的精確動(dòng)態(tài)成像。圖8（c）、圖8（d）顯示了由過往車輛引起應(yīng)變裂紋進(jìn)行修復(fù)前的摩擦發(fā)光和應(yīng)變圖像。用研磨機(jī)對焊接段進(jìn)行研磨修復(fù)后，圖8（e）、圖8（f）不僅證實(shí)了修復(fù)過程的有效性，而且驗(yàn)證了這種可擴(kuò)展的摩擦發(fā)光傳感器在應(yīng)力集中定量成像和修復(fù)工作前所未有的可見定量評估方面的有效性。這類創(chuàng)新的可擴(kuò)展應(yīng)變傳感器有望開啟多尺度應(yīng)變成像研究的新時(shí)代，并有助于與多領(lǐng)域研究相關(guān)的精確動(dòng)態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變成像，有望應(yīng)用在實(shí)際的航天設(shè)備破損監(jiān)測中。

圖8 高速公路節(jié)理斷面現(xiàn)場定量應(yīng)變成像及危險(xiǎn)等級診斷的彈性摩擦發(fā)光傳感器[31]Fig.8 Scalable elasticοluminescent sensοr fοr οnsite quantitative strain imaging and effective danger-level diagnοsis οf a highway jοint sectiοn[31]

綜上，摩擦發(fā)光材料對應(yīng)力作用及材料破損非常敏感，即使材料裂痕微小，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光發(fā)射。因此，該類材料在材料探傷、設(shè)備監(jiān)測、應(yīng)力傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前科研人員正在努力突破有機(jī)摩擦發(fā)光材料的非晶態(tài)化設(shè)計(jì)，試圖將此類材料直接涂覆于機(jī)翼、航天器及其他精密設(shè)備表面，設(shè)備產(chǎn)生微小裂痕即會(huì)伴隨熒光閃光現(xiàn)象，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。我們有理由相信，在未來，航空航天設(shè)備能夠基于摩擦發(fā)光如今在結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)破損傳感。

3 總結(jié)與展望

對于金屬或復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)，在役條件和失效模式通常很復(fù)雜，可能無法準(zhǔn)確預(yù)測。正因如此，航空航天行業(yè)通常使用保守的基于時(shí)間或基于使用的定期維護(hù)做法，這些做法過于耗時(shí)、勞動(dòng)密集且成本很高。此外，隨著結(jié)構(gòu)老化，維護(hù)服務(wù)頻率和成本增加，性能和可用性降低。確保結(jié)構(gòu)安全的一種可能方法是經(jīng)常檢查結(jié)構(gòu)并了解其結(jié)構(gòu)狀況。使用基于條件的維護(hù)與連續(xù)的結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測相結(jié)合的方法，可以顯著降低檢測成本。

圍繞航天器結(jié)構(gòu)的形式多樣性、特征復(fù)雜性、損傷多樣性和隱蔽性，從監(jiān)測過程、創(chuàng)新的傳感器設(shè)計(jì)、新的監(jiān)測方法或技術(shù)等方面探索飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢，是提高其技術(shù)成熟度的重要途徑。而傳感器設(shè)計(jì)也向著小型化、智能化、系統(tǒng)集成等方面發(fā)展[32]。其中一些傳感器價(jià)格昂貴，難以部署在大型結(jié)構(gòu)上，或者無法承受惡劣的環(huán)境和長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，而在監(jiān)測大范圍而非局部區(qū)域的情況下，與準(zhǔn)分布式傳感器相比，分布式傳感器可能在相對較低的頻率下具有更高的空間分辨率[33]，基于摩擦發(fā)光材料制成的傳感器具有低成本的優(yōu)勢，同時(shí)在分布式傳感方面也具有可行性，R.Fοntenοt 等[27]在美國國家航空航天局（NASA）亞拉巴馬州太空撥款聯(lián)合會(huì)等機(jī)構(gòu)的支持下得到的研究成果能夠?yàn)榇颂峁┳糇C。本文所綜述的基于摩擦發(fā)光材料在無損探傷方面的應(yīng)用也可為其未來在航天器方面的實(shí)際應(yīng)用提供思路與可能性。

總而言之，目前摩擦發(fā)光材料在航空航天設(shè)備破損監(jiān)測領(lǐng)域仍處于研究的起步階段，但其有益的性能及在破損監(jiān)測方面潛在的應(yīng)用前景已吸引了大量國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，有望在材料科學(xué)不斷進(jìn)步的同時(shí)，通過后續(xù)系統(tǒng)研究深入分析其內(nèi)在機(jī)制，實(shí)現(xiàn)其在多樣、復(fù)雜的大范圍航空航天設(shè)備環(huán)境中用于應(yīng)力傳感、結(jié)構(gòu)損傷檢測等方面具有高度可靠的檢測能力和靈敏性的應(yīng)用和拓展。