新技术带你实时了解材料的“健康”状况美国陆军研究实验室的研究人员表示

新技术可预测材料使用寿命

美国陆军研究实验室的研究人员表示，通过研究材料的微观力学行为，可以预测材料的早期损坏情况。这项发现是结构健康监测（SHM）社区的重要研究成果，这是一项新的传感技术，可以预测材料关键部件的使用寿命。

ARL（陆军研究实验室）的研究人员丹尼尔·科尔，哈卜图尔，肖恩·福吉和斯科特与马里兰大学合作进行了这项研究，这项研究将在《实验力学》杂志上发表。同时，也将发表于《纳米压痕最新进展》杂志的特刊上。

与传统技术的不同之处

这项研究可以使（SHM）社区更好地了解材料损坏的前兆，尤其是那些价值很高的机械，如航空航天和民用系统中的机械构件们。该小组使用了一个类似于早期保健医生对病人进行检查的方法：医生可以通过快速检查来发现疾病的早期症状，比如血液检查和血压测试。如果病情及时得到诊断，病人就不需要承担更昂贵的治疗费用。研究报告的主要作者丹尼尔·科尔说：“目前许多的（SHM）技术都局限于探测非常晚期的损伤，在医生和病人的类比中，就像是病人已经处于病危状态。因此，我们小组对损伤之前的行为感兴趣，如结构早期损坏裂纹。

他说，如果能事先知道材料什么时候损坏的话，安装上传感器的汽车就可以报告它们的损坏状况，并作出不同的应急措施。研究人员通过将细长的悬臂梁装在振动载荷下，创造出可控的损坏前兆。考虑到振动载荷是旋翼艇群中常见的设计，但由于不能明确的知道这种设计对材料有什么影响，所以往往在设计结构时会过度，并且会产生高昂的维护费用。研究人员发现，随着磨损周期的增加，光束的动态行为将发生微妙的变化，比如自然频率的变化。

DSI技术与SHM技术

为了描述早期损伤的行为，研究人员使用了一种深度感压痕（或称为纳米压痕）（DSI）技术，即在监测负载和位移时，将亚微米探针插入样品中。DSI测试是人们在特定位置对小体积的材料进行定位，并确定在不同的磨损时间下微观（纳米级）机械行为的变化。DSI测试表明在相对较高的压力下，材料在结构的特定区域会变得容易磨损。此外，研究人员还发现，对材料进行DSI测试，根据测试结果，可以预测材料出现裂纹前的使用时间。

这种材料结构的能量来自于它的加工方式。当结构反复加工时，这种能量将被消耗，具体的方式是通过错位运动、滑移带形成、晶粒重定向等。DSI测试还提供了结构的剩余使用时间。

研究人员通过研究表示，DSI测试在该领域是不可行的，但从这项研究中获得的基本认识可以帮助我们启用新的SHM技术。特别是，对结构的动态行为进行监测和分析，可以为探测早期损伤情况提供一种直观的方法。

合作者哈卜图尔说：“如果我们能够了解微观结构演化与结构动力学效应之间的联系，我们就可以让结构自己“报告”健康损伤状况。在某些情况下，这些的传感器是当前的军用车辆，我们可能需要用另一种方式来分析数据。

该研究小组利用分析模型将局部力学特性的变化与结构变化的动力学联系起来，这与实验力学测试是相当吻合的。

“我们对这些结果是感到满意的，因为它们为连接材料科学和结构动力学提供了一个桥梁，而SHM社区不是很好的连接领域。”科尔如是说。

该研究小组还表示，他们希望多学科研究方法能够吸引更多的SHM社区的研究人员来研究早期的损伤情况，并最终降低国防部的成本，维持高价值的机械和航天系统的运行。

最后他们说，他们打算利用这一研究，帮助未来的空中和地面交通工具免于维修、实现自身修复。

译者：JOYEXIA

译自：phys