Nuovi materiali cementizi con meccanoluminescenza per l'applicazione del monitoraggio e della registrazione delle sollecitazioni visibili

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8388 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di un rilevamento accurato e in tempo reale dello stress visivo è fondamentale per il campo dell'ingegneria edile. Qui, viene esplorata una nuova strategia per lo sviluppo di nuovi materiali cementizi mediante aggregazione gerarchica di materiale luminescente intelligente e materiale a base di resina. Il materiale cementizio con tale struttura stratificata è intrinsecamente capace di visualizzare il monitoraggio e la registrazione dello stress convertendo lo stress in luce visibile. Il campione fabbricato dal nuovo materiale cementizio potrebbe emettere ripetutamente luce verde visibile sotto l'eccitazione di un impulso meccanico per 10 cicli, suggerendo che il materiale cementizio mostra prestazioni altamente riproducibili. Inoltre, le simulazioni numeriche e le analisi per i modelli di stress indicano che il tempo luminescente è sincrono con lo stress e l'intensità di emissione è proporzionale al valore dello stress. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio in cui il materiale cementizio realizza il monitoraggio e la registrazione delle sollecitazioni visibili, il che fornisce nuove intuizioni per esplorare i moderni materiali da costruzione multifunzionali.

I materiali cementizi svolgono un ruolo molto importante nello sviluppo della civiltà umana, soprattutto nel campo dell’edilizia moderna1,2,3,4,5. Tuttavia, le strutture degli edifici stanno diventando sempre più complesse con il miglioramento della progettazione strutturale e della capacità di lavorazione dei materiali, che portano alla difficoltà nel rilevamento della distribuzione delle sollecitazioni sulla struttura. Inoltre, la distribuzione delle sollecitazioni verrà modificata a causa della complessità degli ambienti di servizio, quali carico alternato, fatica da corrosione o crepe, che potrebbero provocare la frattura della struttura. Attualmente, i metodi di rilevamento dello stress includono principalmente il metodo di misurazione elettrica e il metodo del reticolo, che converte il segnale di deformazione in segnale elettrico o segnale ottico6,7,8,9,10,11,12. Tuttavia, i metodi attuali possono raccogliere solo un punto di dati alla volta attraverso uno strumento specifico, è difficile osservare in modo rapido e accurato la distribuzione dello stress dell'intera struttura da parte dell'occhio umano. Pertanto, è importante esplorare nuovi metodi per realizzare il monitoraggio visivo e la registrazione dello stress.

Al momento, è un metodo prevalente esplorare nuovi materiali cementizi intelligenti aggiungendo materiali intelligenti13,14,15,16,17. In cui, materiali cementizi luminescenti sono stati ottenuti combinando il fosforo con materiale cementizio18,19,20. Tuttavia, la ricerca attuale realizza solo l’emissione di luce visibile e non esiste un’applicazione approfondita della luce visibile. È noto che la luce visibile è un segnale molto semplice da osservare dagli occhi umani, quindi se il materiale cementizio può convertire lo stress in luce visibile, è possibile realizzare il rilevamento visivo dello stress. Il materiale meccanoluminescenza (ML) è un tipo di materiale intelligente emergente, che può convertire l'energia meccanica esterna in emissione di luce senza l'assistenza dell'eccitazione di elettroni o fotoni21,22,23,24,25,26. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato molti nuovi materiali ML, come ZnS/CaZnOS:Mn21, CaLaAl3O7:Tb3+25 e SrMgAl10O17:Ce3+27, ecc. La nostra ricerca precedente ha scoperto che il colore di emissione dei composti in soluzione solida (Ca1−xSrx )8Mg3Al2Si7O28:Eu2+ potrebbe essere sintonizzato dal verde al blu sotto lo stress elastico, il che ha realizzato la migrazione spettrale ML indotta dallo stress e ha fornito nuove informazioni sul rilevamento dello stress28. Questo tipo di modalità luminescente consente l'applicazione del materiale ML nel campo della distribuzione delle sollecitazioni. Tuttavia, la maggior parte dei materiali ML vengono applicati nell'ingegneria mediante pellicola a spruzzo, la qualità della pellicola a spruzzo si deteriora gradualmente col passare del tempo, riducendo la precisione dei risultati di rilevamento. Inoltre, l'ambiente è complesso nel materiale cementizio, come elevata umidità interna e forte alcalinità, che può influenzare in modo significativo la proprietà luminescente del fosforo quando il fosforo viene drogato all'interno del materiale cementizio. Pertanto, è molto importante esplorare il metodo appropriato per introdurre materiale ML adatto all'interno del materiale cementizio, in modo che il materiale cementizio possa mostrare multifunzioni e convertire naturalmente lo stress in luce visibile, il che favorisce un rilevamento conveniente, rapido e accurato di sollecitazioni nella struttura dell'edificio.