摩擦發(fā)光材料在航空航天設(shè)備破損監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及展望

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(zhǎng)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(guò)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(hào)”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(kāi)展航空航天領(lǐng)域的前沿技術(shù)研究，特別是破損檢測(cè)技術(shù)的不斷完善，對(duì)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(wú)損監(jiān)測(cè)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(cè)和脈沖雷達(dá)熱波等[2]。然而，以上的破損檢測(cè)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(guò)程中的實(shí)時(shí)破損檢測(cè)技術(shù)卻鮮有報(bào)道。材料裂紋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)飛行器損傷容限/疲勞試驗(yàn)、保證服役過(guò)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(cè)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(duì)于非常微小的損傷也可以有明顯響應(yīng)。（3）信號(hào)易于監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的捕捉，且具有簡(jiǎn)易、輕便的特性。

近年來(lái)，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(lèi)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(duì)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(wú)須外加電源或光源，而且對(duì)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(cè)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(cè)的重要手段。因此，近年來(lái)，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(duì)其在航空航天破損監(jiān)測(cè)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(wú)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(duì)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(wú)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(lèi)材料的特性總結(jié)于表1 中，以便于讀者對(duì)照。有機(jī)摩擦發(fā)光材料發(fā)展至今，因其易于通過(guò)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(lèi)、三苯胺類(lèi)、四苯乙烯類(lèi)、吩噻嗪類(lèi)、咔唑類(lèi)等材料。這類(lèi)材料具有合成簡(jiǎn)單、成本低廉、毒性較小、發(fā)光范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)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(lèi)

N-苯基酰亞胺類(lèi)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(duì)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(kāi)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(duì)這類(lèi)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(duì)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(lèi)壓電晶體的裂紋表面帶電，材料和周?chē)牡獨(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(lèi)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(lèi)

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(guò)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(lèi)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(duì)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(lái)抑制非輻射躍遷過(guò)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(guò)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(wú)結(jié)果并不具有直接的關(guān)聯(lián)[9]。通過(guò)對(duì)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(kāi)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(guò)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(lèi)

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(duì)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(duì)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(méi)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(guò)程，大大提升了其發(fā)光量子效率[10]。

本文通過(guò)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(kāi)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(jiǎn)單的限定應(yīng)力監(jiān)測(cè)范圍的應(yīng)力傳感裝置，如圖3 所示[11]。基于材料可通過(guò)光照實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)光性質(zhì)的“開(kāi)—關(guān)”調(diào)節(jié)的特性，在應(yīng)力監(jiān)測(cè)前，可通過(guò)掩模版和紫外光限定應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)摩擦發(fā)光特性歸因于在光致變色過(guò)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(kāi)關(guān)摩擦發(fā)光。這項(xiàng)工作為下一代光開(kāi)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(cè)、多層信息加密等方面的應(yīng)用。

1.4 吩噻嗪類(lèi)

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(duì)電子令n→π*躍遷更容易發(fā)生，對(duì)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(lèi)衍生物設(shè)計(jì)出了不少非中心對(duì)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(guò)簡(jiǎn)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(duì)摩擦發(fā)光性質(zhì)的特征從無(wú)、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(zhǎng)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(jiàn)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(lèi)

咔唑類(lèi)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(duì)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(lèi)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(guò)調(diào)整一系列從甲基到正辛基不同長(zhǎng)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(guò)將辛基酰胺咔唑（CAC-8）作為主體材料，在其中摻進(jìn)各類(lèi)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(guò)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?jiàn)的近紅外摩擦發(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(shì)。

1.6 無(wú)機(jī)類(lèi)

無(wú)機(jī)摩擦發(fā)光現(xiàn)象目前仍沒(méi)有公認(rèn)的普適理論能夠解釋整個(gè)物理過(guò)程。堿金屬鹵代鹽[17-18]、稀土元素?fù)诫s的陶瓷材料[19-22]、過(guò)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(duì)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(duì)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(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(guò)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(cè)相結(jié)合方法，可以顯著降低檢測(cè)成本。摩擦發(fā)光因上述的靈敏性而在破損檢測(cè)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(cè)發(fā)光信號(hào)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(cè)股骨活動(dòng)時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度，未來(lái)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(duì)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(kāi) 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(guò)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(duì)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(yáng)光激活的明亮紅光，在正午陽(yáng)光等明亮的光線條件下可見(jiàn)。當(dāng)前用于航天器和飛機(jī)損傷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的技術(shù)不能提供原位和分布式傳感，定期無(wú)損檢測(cè)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(kāi)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(guò)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?chē)膽?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(cè)到了橋梁在一般交通情況下的裂紋張開(kāi)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(wú)鉛性、低成本等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，滿足社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施上應(yīng)力/損傷累計(jì)歷史檢測(cè)記錄的需求。此外，Y.Fujiο等[29]利用由無(wú)機(jī)摩擦發(fā)光材料SrAl2O4∶Eu 和環(huán)氧樹(shù)脂組成的力致發(fā)光傳感器，開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)高壓儲(chǔ)氫鋼瓶?jī)?nèi)表面裂紋（內(nèi)裂紋）的新的無(wú)損評(píng)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(duì)內(nèi)部裂紋的生長(zhǎng)行為進(jìn)行了無(wú)損量化。該技術(shù)作為一種無(wú)損評(píng)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(guò)程中的安全問(wèn)題。

圖6 摩擦發(fā)光系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)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(cè)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(hào)的情況下檢測(cè)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(hào)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(lái)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(cè)。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(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)的工作證明了新開(kāi)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(píng)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(chǎng)斷裂檢查和危險(xiǎn)級(jí)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(guò)往車(chē)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(duì)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(guò)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(jiàn)定量評(píng)估方面的有效性。這類(lèi)創(chuàng)新的可擴(kuò)展應(yīng)變傳感器有望開(kāi)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(cè)中。

圖8 高速公路節(jié)理斷面現(xiàn)場(chǎng)定量應(yīng)變成像及危險(xiǎn)等級(jí)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(duì)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(lèi)材料在材料探傷、設(shè)備監(jiān)測(cè)、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(lèi)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(cè)的目的。我們有理由相信，在未來(lái)，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(duì)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(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(guò)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(cè)相結(jié)合的方法，可以顯著降低檢測(cè)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(cè)過(guò)程、創(chuàng)新的傳感器設(shè)計(jì)、新的監(jiān)測(cè)方法或技術(shù)等方面探索飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，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(wú)法承受惡劣的環(huán)境和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，而在監(jiān)測(cè)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(duì)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(shì)，同時(shí)在分布式傳感方面也具有可行性，R.Fοntenοt 等[27]在美國(guó)國(guó)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(wú)損探傷方面的應(yīng)用也可為其未來(lái)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(cè)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(cè)方面潛在的應(yīng)用前景已吸引了大量國(guó)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(guò)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(cè)等方面具有高度可靠的檢測(cè)能力和靈敏性的應(yīng)用和拓展。