有机力致变色发光薄膜在金属结构上的应力感应响应与机制

《Journal of Luminescence》：Stress-sensing Response and Mechanism of Organic Mechanochromic Luminescent Film on Metallic Structures

TPE-4N薄膜涂覆在晶粒尺寸不同的316L不锈钢基板上，研究表明细晶粒基板在相同拉伸应变下荧光强度更高，晶界变形导致薄膜结晶破坏并发射绿色荧光。该发现为开发基于有机MCL的光学应力传感方法提供了理论依据。

　　近年来，随着航空航天和能源工业中结构尺寸和复杂性的不断增加，对结构变形的检测变得愈发重要，以确保结构的安全性。传统的检测方法多依赖于电气、磁性、声学和光学信号，但这些方法在面对大型和复杂结构时存在一定的局限性，尤其是在传感器尺寸受限的情况下。为此，研究人员逐渐将目光转向光学应力检测方法，因其具备非接触、全场和可视化的优势。例如，剪切干涉技术（shearography）利用相干激光照明，能够测量表面变形区域的应力或应变集中情况，而数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法则广泛应用于宏观或介观尺度结构的全场应变测量。然而，这些方法在复杂结构中的设置较为繁琐，且测量过程容易受到移动因素的影响。因此，开发一种低成本、操作简便的光学应力检测方法成为当前研究的重点。

在过去的几十年中，各种具有机械响应发光特性的材料已被报道。由于光信号可以直接被观察到，基于机械发光（mechanoluminescence, ML）和机械致变发光（mechanochromic luminescence, MCL）的应力检测方法在大型结构的局部变形检测中展现出巨大潜力。相比瞬时的机械发光响应，机械致变发光响应可以在外部力移除后持续较长时间，这使得其在开发低成本、全场应力检测方法中具有明显优势。目前，已有多种MCL材料被研究，包括聚合物和小分子。例如，高折射率的纳米颗粒（如ZrO?和Fe?O?）常被用于聚合物中，通过逐层结构形成MCL光子晶体。此外，含有聚合物基质和激基复合物形成染料的机械致变聚合物共混物也受到广泛关注。当这些聚合物共混物被拉伸时，染料的分子组装或化学结构变化会导致颜色变化。例如，螺吡喃和氰基取代的寡聚（p-苯乙烯）是形成MCL聚合物共混物的典型材料。与此同时，金属复合体系（如Zn(II)、Au(I)、Pt(II)、Ag(I)、Cu(I)等）在研磨或刮擦时也会发生颜色变化。与传统的DIC方法相比，MCL响应可以直接用肉眼观察，这为检测大型和复杂结构中的局部损伤提供了便利。此外，即使在载荷移除后，MCL发射仍能保持，这也为检测移动部件中的损伤提供了新的思路。

然而，航空航天和能源工业中广泛使用的金属材料，如各种合金和不锈钢，其表面的机械致变发光薄膜形成能力仍是一个主要挑战，限制了MCL材料在工程应用中的发展。通常，MCL应力检测薄膜是通过有机粘合剂（如环氧树脂）粘附在金属表面。然而，这些粘合剂的流动性较差，给大型和复杂结构的全场测量带来了诸多困难。此外，有机粘合剂的变形行为往往与金属基底不兼容，这使得对MCL薄膜与金属基底变形之间关系的理解仍然不足。

值得注意的是，一些MCL分子能够溶解在有机溶剂（如丙酮、氯仿）中，这为在大型金属表面上形成薄膜提供了便利。因此，基于MCL的金属结构应力检测方法受到越来越多的关注。例如，Tang等人开发了一种MCL分子——1,1,2,2-四（4-硝基苯基）乙烯（TPE-4N），该分子在多种金属表面具有良好的成膜能力，并且对机械刺激具有超高的灵敏度。随后，基于TPE-4N的应力检测方法被提出，用于监测金属结构的变形情况。研究发现，金属基底的变形会破坏覆盖在其表面的TPE-4N结晶薄膜，从而导致荧光强度的变化。通过这种方式，金属基底的变形被转化为TPE-4N薄膜的机械响应荧光信号。例如，TPE-4N薄膜已被成功用于检测钢和铝合金中的缺陷诱导局部变形。此外，通过可见荧光响应，研究人员还实现了对铝合金和复合材料中裂纹萌生与扩展过程的可视化。有趣的是，在相同的拉伸条件下，TPE-4N薄膜在钢和铝合金中的变形诱导荧光强度响应存在显著差异。因此，有必要进一步研究有机MCL薄膜在金属结构中的应力检测响应与机制，以开发更加精确的应力检测方法。

在本研究中，选择了具有简单面心立方（face-centered cubic, FCC）结构的316L奥氏体不锈钢作为金属基底。通过热机械加工，制备了一系列具有不同微结构和机械性能的316L不锈钢基底。随后，将TPE-4N薄膜涂覆在这些基底的表面，并在常温下研究了拉伸变形与机械响应荧光响应之间的关系。此外，还分析了不同微结构基底在变形诱导下的表面形貌变化。通过这些研究，进一步明确了金属基底微结构对TPE-4N薄膜机械响应荧光的影响。这些成果有望推动基于MCL的金属结构应力检测方法的发展。

本研究通过系统分析TPE-4N薄膜在不同微结构316L不锈钢基底上的应力响应行为，揭示了金属基底微结构对机械响应荧光的影响机制。实验发现，当316L不锈钢基底受到拉伸时，其内部的晶界会发生旋转和滑动，同时晶内滑移也会发生，这些变形行为会破坏原本结晶的TPE-4N薄膜，从而导致绿色荧光的发射。实验结果表明，在相同的拉伸应变下，超细晶粒基底的TPE-4N薄膜表现出显著高于粗晶粒基底的荧光强度。这一现象表明，TPE-4N薄膜的机械响应荧光强度不仅与拉伸应变有关，还受到基底微结构的影响。进一步研究发现，不同微结构的基底在变形过程中产生的表面粗糙度变化也会影响TPE-4N薄膜的荧光强度响应。这些结果表明，金属基底的微结构在MCL应力检测方法中扮演着关键角色。

本研究的意义在于，通过深入理解金属基底微结构对MCL薄膜机械响应荧光的影响，可以为开发更加精确、适用于大型和复杂金属结构的应力检测方法提供理论支持。当前，MCL材料在金属结构中的应用仍面临诸多挑战，例如成膜能力不足、对基底变形的响应不一致等。因此，通过实验手段研究这些影响因素，有助于优化MCL材料的性能，提高其在实际工程中的适用性。此外，研究结果还表明，TPE-4N薄膜在不同金属基底上的响应行为存在差异，这可能与金属的晶体结构、晶界特性以及表面形貌变化有关。因此，未来的研究可以进一步探索这些因素之间的相互作用，以实现更广泛、更准确的应力检测应用。

本研究的实验设计和方法选择也具有一定的创新性。通过热机械加工，制备了具有不同晶粒尺寸的316L不锈钢基底，从而能够系统研究晶粒尺寸对TPE-4N薄膜机械响应荧光的影响。实验中采用的拉伸测试方法能够在常温下精确测量基底的变形情况，同时记录TPE-4N薄膜的荧光响应。这种实验方法不仅能够提供定量数据，还能够揭示变形过程中表面形貌变化与荧光响应之间的关系。此外，通过观察不同晶粒尺寸基底在拉伸后的表面变化，可以进一步理解金属基底微结构对MCL材料性能的影响机制。这些研究结果为未来开发适用于不同金属材料的MCL应力检测方法提供了重要的参考。

本研究的结论表明，TPE-4N薄膜在316L不锈钢基底上的机械响应荧光强度不仅与拉伸应变有关，还受到基底微结构的影响。特别是，超细晶粒基底在相同的拉伸应变下表现出更高的荧光强度，这可能与晶界滑动和晶内滑移的增强有关。同时，不同晶粒尺寸的基底在拉伸后产生的表面粗糙度变化也会影响TPE-4N薄膜的荧光响应。这些发现为优化MCL材料的性能提供了新的思路，并为开发适用于不同金属结构的应力检测方法奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同金属材料在不同微结构条件下的响应行为，以实现更广泛、更精确的应力检测应用。

综上所述，本研究通过实验手段揭示了TPE-4N薄膜在不同微结构316L不锈钢基底上的应力响应行为，并探讨了其背后的物理机制。研究结果表明，金属基底的微结构对MCL材料的性能具有重要影响，特别是在拉伸变形条件下，超细晶粒基底表现出更显著的荧光响应。这一发现不仅有助于优化MCL材料的性能，还为开发适用于大型和复杂金属结构的应力检测方法提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同金属材料在不同微结构条件下的响应行为，以实现更广泛、更精确的应力检测应用。同时，研究结果也表明，TPE-4N薄膜在不同金属基底上的响应行为存在差异，这可能与金属的晶体结构、晶界特性以及表面形貌变化有关。因此，未来的研究可以进一步探索这些因素之间的相互作用，以实现更广泛、更精确的应力检测应用。