《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Machine Learning-Assisted Gradient WPU-CNT/Graphene Sensor for Intelligent Deformation Measurement of Skid Beams
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•一种沉降辅助工艺形成了梯度WPU-CNT/石墨烯薄膜。•该薄膜呈现出富聚合物的顶部表面和富含填料的粗糙底部。•约36的力因子与隧道效应和颗粒间接触变化相关。•SVR校准支持工程测量中的变形估计。引言大型基础设施的结构健康监测（SHM）和工程测量，包括海上钢构件焊后变形评估，
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一种沉降辅助工艺形成了梯度WPU-CNT/石墨烯薄膜。
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该薄膜呈现出富聚合物的顶部表面和富含填料的粗糙底部。
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约36的力因子与隧道效应和颗粒间接触变化相关。
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SVR校准支持工程测量中的变形估计。
引言
大型基础设施的结构健康监测（SHM）和工程测量，包括海上钢构件焊后变形评估，对于保障运营安全和尺寸质量控制至关重要[1]。在海上平台中，滑撬梁是支撑和引导工作平台和钻井设备移动、定位及稳定运行的关键结构构件；因此，其表面平面度受到严格的公差要求。例如，在DSM/DES滑撬梁等特定海上项目中，焊后表面变形通常要求保持在3 mm以下。在传统工程测量中，高精度全站仪通常通过将表面网格化并使用棱镜采集三维坐标来评估焊接引起的变形，如图1a所示。然而，离散测量主要仅在选定测量时段提供变形信息，在记录制造或焊后稳定过程中的连续变形演化方面能力有限。频繁中断操作和仪器重新定位也会降低测量效率并引入配准或操作者依赖性不确定性[2]，[3]。
近年来，由嵌入聚合物基体中的导电网络组成的柔性压阻传感器作为SHM的补充工具引起了关注[4]，[5]，[6]。其可贴合性、轻质形态和可调导电结构使其适用于监测曲面或不规则结构表面。例如，碳纳米材料/PVDF复合薄膜已被用于飞机结构的损伤监测[7]，富勒烯纸基传感器已用于风力涡轮机叶片的疲劳监测[8]，碳纳米管薄膜已被探索用于金属结构的裂纹追踪[9]。在土木工程中，柔性传感器也被开发用于监测超高性能混凝土和钢筋混凝土结构的变形与开裂[10]。
尽管这些研究表明了柔性传感器的潜力，但当前大部分研究集中在动态疲劳和裂纹扩展方面[11]，[12]，[13]，[14]。钢结构焊后变形监测代表了不同的物理场景，涉及以微至小应变为特征的准静态、不可逆过程，而非高频循环载荷。在此条件下，快速弹性恢复和极低滞后并非唯一的设计优先事项；在校准条件下稳定捕捉累积变形同样重要。如果使用高弹性弹性体，当钢基体保留残余变形时，其弹性恢复可能会引入恢复引起的界面应力，这可能导致静持期间的局部滑移或信号漂移。因此，具有适度柔顺性和粘弹性松弛的传感基体可能对该应用有利[15]。在此背景下，轻度粘弹性基体可被视为概念上的"被动跟随者"，其有助于对钢基体进行贴合变形跟随，并帮助在静持期间保留与变形相关的电阻状态。
基于这些要求，选用水性聚氨酯（WPU）作为合适的基体候选材料。由于其柔性聚合物网络和配方依赖的粘弹性行为，WPU可表现出适度的柔顺性和时间依赖的松弛。这种行为有利于使传感薄膜贴合跟随钢基体的变形。因此，WPU被认为适合所提出的概念"被动跟随者"设计。同时，其水性加工性和成膜能力与表面活性剂/超声辅助的CNT/石墨烯填料分散相兼容，能够实现柔性碳复合材料薄膜的制造[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。为构建导电网络，引入了一维碳纳米管（CNT）和二维石墨烯的混合体。石墨烯片层可提供二维导域并有助于应变敏感的接触变化，而CNT可作为导电桥有助于在变形期间保持网络连接性[22]，[23]，[24]。
此外，梯度和不对称材料架构已被证明在柔性传感中具有优势，通过实现空间分离功能，如优先导电、表面保护、方向敏感性或界面调控[25]，[26]，[27]。受这些概念的启发，我们开发了一种沉降诱导的梯度WPU-CNT/石墨烯架构，以定制导电分布和传感器-基体相互作用。该设计利用了碳质填料和水性WPU分散体之间的密度差。在热固化之前的受控静置期间，CNT/石墨烯团聚体预计会发生部分向下迁移。因此，可形成不对称薄膜，由相对富含WPU的上表面和富含填料的底层组成。富含WPU的上表面旨在提供部分表面保护，而富含填料的底层可以局部集中导电通路并降低底面方阻。此外，富含填料的下表面的微皱褶形貌可能改善界面接触和与钢基体的机械贴合性，从而支持更有效的应变传递。
在本研究中，针对滑撬梁相关钢结构的焊后变形监测，制备了一种梯度WPU-CNT/石墨烯柔性传感器，如图1b所示。该传感器设计将沉降辅助的梯度导电结构与柔性WPU基体相结合，旨在调控导电网络分布同时保持与钢基体变形的机械贴合性。所得电阻变化进一步使用SVR模型对照施加的位移值进行校准。作为初步的工程导向验证，传感器被粘贴在304不锈钢板上，作为实验室基体代理用于监测钢梁的弯曲变形。因此，本工作提出了一种梯度WPU-CNT/石墨烯结构设计和数据辅助校准的变形传感路径，为钢结构SHM应用的进一步验证提供了基础。
各章节摘要
材料
羧基功能化多壁碳纳米管（MWCNTs，纯度>99%，外径8–15 nm，长度5–15 μm）和高纯度多层石墨烯粉（G，碳含量98%）购自深圳市瑞恒石墨烯科技有限公司（中国）。阴离子脂肪族水性聚氨酯（WPU，型号1926）由深圳市吉野化学有限公司（中国）提供。用作表面活性剂的十二烷基硫酸钠（SDS）由天津市致远化学试剂有限公司供应。
传感器的构建与形貌特征
柔性WPU-CNT/石墨烯（WPU-CNT/G）传感器的制备方案如图1a所示。利用阴离子脂肪族WPU作为基体，在50°C固化期间形成动态物理交联网络，主要由亲水基团与疏水链段之间的微相分离驱动（图2a）。
为缓解碳质填料的强范德华力和固有的团聚倾向，超声处理与较低浓度的SDS相结合
结论
开发了一种功能梯度WPU-CNT/石墨烯柔性传感器作为基于工程测量的钢结构变形监测的补充传感元件。通过沉降辅助的自分层工艺，成功制备了不对称架构。该定制结构具有富聚合物的保护性上层皮层和富含填料的导电底层，并通过方阻和形貌分析验证。所得传感器
CRediT作者贡献声明
刘倩：数据整理，调查研究。赵嵩：可视化，数据整理。尹苗：方法学，数据整理。许东方：初稿撰写，验证，方法学，调查研究，数据整理，概念构思。冯喜运：审阅与编辑，可视化，监督，项目管理，资金获取，概念构思。白坤：资源，数据整理，概念构思。陈国平：审阅与编辑，监督，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响到本论文所报告的工作。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（批准号：22062027）、云南省基础研究项目（批准号：202601AT070043）和昆明理工大学分析与测试基金的资助。
许东方|尹苗|刘倩|赵嵩|刘芷婷|陈国平|白坤|冯喜运
