基于ATR-FTIR光谱的芳纶绳索内部机械损伤非破坏性评估新方法

《Polymer》：Assessing Internal Mechanical Damage in Aramid Ropes using ATR-FTIR Spectroscopy

本研究针对高性能芳纶（Twaron?）绳索在循环弯曲疲劳下内部损伤难以早期、非破坏性评估的难题，研究人员开展了基于衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱的损伤监测研究。结果表明，特定吸收峰强度比（如A1110/A1514）随疲劳损伤程度呈指数衰减，可作为量化损伤的敏感指标。该方法为绳索状态监测和寿命预测提供了创新工具，对保障关键工程应用安全具有重要意义。论文发表于《Polymer》。

　　

在深海系泊、大型工程吊装、消防救援等关键领域，高性能合成纤维绳索，尤其是以对位芳纶（如Twaron?）为材料的绳索，因其高比强度、优异的耐腐蚀性和柔韧性而备受青睐。然而，这些绳索在长期服役过程中，尤其是在循环弯曲、拉伸等复杂载荷作用下，其内部会逐渐累积机械损伤。这种损伤往往隐藏在绳索内部，从外部难以察觉，却可能突然导致绳索断裂，引发严重的安全事故。传统的损伤评估方法，如目视检查或破坏性力学测试，要么灵敏度不足，无法探测早期损伤，要么会破坏绳索结构，无法实现在线监测和寿命预测。因此，开发一种能够灵敏、可靠且非破坏性地评估芳纶绳索内部损伤状态的新技术，对于预防灾难性失效、优化维护策略和保障生命财产安全具有迫切需求。

近期，发表在《Polymer》上的一项研究为解决这一挑战提供了创新方案。由Tanmaya Mishra、Oday Allan和Matthijn De Rooij完成的研究，探索了利用衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱技术来监测Twaron?芳纶绳索在循环弯曲疲劳过程中的内部损伤演变。研究表明，绳索内部的机械损伤会导致其聚合物分子结构发生微小但可探测的变化，这些变化能够通过特定的红外吸收峰强度的改变反映出来。通过建立光谱信号与损伤程度之间的定量关系，该技术有望实现对绳索剩余寿命的早期预警和评估。

研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，他们设计了一套循环弯曲反向弯曲疲劳实验装置，对不同构造（如3股和6股）的Twaron?绳索试样进行加速疲劳测试，使试样承受预定百分比（如10%， 25%， 50%）的平均疲劳寿命（以循环周次计）的损伤。其次，核心技术是ATR-FTIR光谱分析，研究人员采用了两种测量构型：“开绳股”构型，即将绳索拆开，使股-股接触界面处的单根纱线直接暴露给ATR晶体，以探测局部高损伤区域；“闭绳索”构型，即保持绳索完整，将ATR晶体直接置于股-股接触界面的外表面进行测量，这种构型更接近实际无损检测场景，能获得损伤状态的“空间平均”信号。光谱数据经过基线校正后，通过分析特定吸收峰（如1110 cm^-1, 1514 cm^-1, 1016 cm^-1）的强度比值变化来量化损伤。此外，研究还辅以扫描电子显微镜（SEM）和微型计算机断层扫描（micro-CT）对疲劳后的绳索试样进行微观形貌和内部结构观察，以验证FTIR光谱变化所对应的物理损伤机制，确认损伤确实集中在FTIR所探测的股-股接触界面区域。

光谱分析与损伤指标建立

研究人员系统分析了Twaron?（聚对苯二甲酰对苯二胺， PPTA）的特征FTIR光谱，并识别出与机械损伤相关的关键吸收带。其中，1110 cm^-1处的吸收峰（归属于芳香环C-H面内弯曲和芳基C-N键伸缩的耦合振动）对机械损伤表现出最高的敏感性。为了消除测量条件（如接触压力、样品厚度）的影响，研究采用比率分析法，即用损伤敏感峰（1110 cm^-1）的强度与一个相对稳定的参考峰（如1514 cm^-1的酰胺II带或1016 cm^-1的芳香C-H面内弯曲振动）的强度进行归一化。结果表明，归一化吸收比（如A₁₁₁₀/A₁₅₁₄或A₁₁₁₀/A₁₀₁₆）随着疲劳损伤水平（以平均疲劳寿命的百分比表示）的增加而呈现指数衰减趋势。这意味着绳索内部的分子结构（如链段有序性、化学键环境）随着机械磨损和微裂纹的产生而逐渐退化，导致了相应红外吸收的减弱。

开绳股与闭绳索构型的对比

研究比较了两种测量构型下光谱响应的差异。在“开绳股”构型下，由于ATR晶体直接接触损伤最严重的单根表面长丝，光谱信号在损伤早期（约达到寿命的40%之前）迅速下降，之后趋于平缓，反映了表面长丝损伤的饱和。其中，使用A₁₁₁₀/A₁₀₁₆比值能更好地追踪整个损伤过程。而在“闭绳索”构型下，ATR信号来源于股-股界面处损伤程度不一的多根长丝的“空间平均”，因此光谱响应的下降更为平缓，能够更好地反映损伤在整个界面区域的渐进式累积，尤其适用于追踪中后期损伤。这种构型因其非破坏性和对实际应用的适用性而显示出更大的潜力。

微观结构验证

SEM观察清晰地展示了疲劳损伤的微观形貌演变：从初始的光滑纤维表面，逐渐出现原纤化、表面粗糙化、层状剥落直至严重的纤维错位和断裂。这些现象证实了循环载荷导致的聚合物微观结构破坏。Micro-CT扫描进一步从三维空间揭示了损伤的分布：损伤并非均匀发生，而是高度集中于绳索内部股与股之间的接触界面区域，特别是在这些界面的外围长丝中。这有力地验证了ATR-FTIR在“闭绳索”构型下所探测的区域正是内部损伤的核心地带，从而确保了该技术评估结果的代表性和可靠性。

综上所述，这项研究成功地论证了ATR-FTIR光谱作为一种强大的工具，用于芳纶绳索内部机械损伤的非破坏性评估。通过建立关键光谱特征（如A₁₁₁₀/A₁₅₁₄比值）与疲劳损伤程度之间的定量关系，该技术能够灵敏地探测到肉眼不可见的早期损伤，并对损伤的累积过程进行跟踪。与SEM和micro-CT等成像技术的结合，从化学和物理两个层面共同揭示了以原纤化和界面磨损为主导的损伤机制。这项研究的重要意义在于，它为高性能纤维绳索的状态监测和剩余寿命预测开辟了一条新的技术途径。相比于传统方法，ATR-FTIR具有快速、无损、有望现场实施（特别是便携式ATR附件）等优势。尽管目前的研究主要针对特定类型的芳纶绳索，但其基本原理和方法有望推广至其他高性能聚合物纤维绳索和织物的损伤评估中，对于提升相关领域的安全性和可靠性具有重要的应用价值。未来的工作可集中于将该方法应用于更广泛的绳索构造、环境条件，并推动其走向现场实际应用。