image: The nanocomposite sensors developed Professor Su Zhongqing from PolyU Department of Mechanical Engineering can be sprayed directly on flat or curved engineering structures. view more
Credit: The Hong Kong Polytechnic University
香港理工大學（理大）的研究團隊新近研發了一種嶄新的納米複合材料傳感器，可直接噴塗於平坦或彎曲的工程結構，如火車路軌和飛機結構。噴塗出來的傳感器可以進一步構成傳感器網絡，為受監測的結構提供實時及豐富的結構健康狀況信息。這種傳感器重量極輕，而且製造成本低廉，可大量採用以檢測隱藏在結構內部的問題，有助開創以超聲波為基礎的結構健康監測新時代。
納米複合材料傳感器由理大機械工程學系的蘇眾慶教授、周利民教授及以他們為首的團隊研發，採用創新的噴塗技術製成，使傳感器安裝過程比傳統方法更快捷和具效率。這種新技術也令該傳感器適用於多種工程結構表面，提高了它的靈活性。
現時用於原位監測的傳統超聲波傳感器，例如由鋯鈦酸鉛（PZT）製成的壓電類型傳感器，因成本及重量所限，可使用的數量一般不多。這些傳感器一般是硬的，不能扭彎以用於彎曲的結構表面，且會顯著增加結構的附加重量與體積。理大團隊研發的納米複合材料傳感器，製造成本及重量都大大低於傳統傳感器，又可大量製造組成密集的傳感器網絡，採集寬頻信號，用以監測結構的健康。
蘇教授說：「該新型納米複合材料傳感器在『傳感成本』和『傳感效能』之間取得了平衡，能同時兼顧傳感器的成本及傳感器網絡所捕獲的數據量兩個因素，為實現原位振動感測、以超聲波為基礎的結構健康監測技術開闢了新思路。」
體重輕且成本低
理大的創新傳感技術包含一個傳感器網絡，由多個納米複合材料傳感器及一個超聲波換能器組成，可主動探測安裝了該傳感網絡的結構的健康狀況，快速及準確地顯示該結構是否有損壞。傳感器會接收及量度超聲波換能器發出的超聲導波，如結構有損壞，例如出現裂縫，超聲導波的傳播會受損壞的地方干擾，因而出現特有的波散射現象，並為傳感網絡所記錄。團隊研發出來的一體化系統，可基於超聲導波的散射準確地檢測及量化結構損壞的情況。
一個基於壓電材料的傳統超聲波傳感器成本是十多美元，重數克；而一個新一代納米複合材料傳感器的成本僅0.5美元，重0.04克。因此，一個結構可同時使用更多傳感器，以獲得更豐富的信息作分析，同時又不會給結構帶來明顯的負重。此外，理大團隊的傳感器有極佳的靈活性，適用於彎曲的結構表面，可廣泛地應用在各種工程結構，即使是在移動結構的表面亦同樣可以噴塗方式安裝，實時傳送結構的健康信息。
響應頻率更廣闊
理大團隊所研發的納米複合材料傳感器可量度由靜止至900千赫茲的微小幅度的超聲波訊號。這技術能在超聲波系統採集散射波，從而檢測大部份工程物料中微細至一至二毫米的裂縫，響應頻率比現有納米複合材料傳感器（根據國際期刊現有的報道）的響應頻率高出400多倍。
雖然傳統超聲波傳感器可量度的超聲波範圍，比蘇教授研究的更廣闊，但傳統傳感器的重量及成本均較高，難以大量使用構成大型傳感器網絡，故此只能帶來有限的數據資料。在眾多工程實際應用中，特別是針對航空航天結構，使用有很大的限制。
新技術減省成本及提高靈敏度
納米複合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成，可因應各種工程應用的需要，輕易和靈活地製成不同的尺寸大小。
新的納米複合材料傳感器能極敏感地偵測到結構的改變，是因為研究團隊優化了混合物的納米結構，令傳感器能識別納米複合材料對不同壓阻的回饋。團隊對材料的組成反覆做了許多測試，以優化納米複合材料的導電率，從而量度及分析壓阻的回饋。
該新技術中，每一個傳感器都通過印刷在結構上的電線連接到網絡，透過分析和比較由電阻率轉換而成的電信號，便可發現結構中的缺陷，同時將信號轉換為三維圖像。
這項嶄新研究最近在其所屬領域的頂級期刊發表，包括《Ultrasonics》、《Carbon》及《Smart Materials and Structures》。蘇教授說：「這種創新的納米複合材料傳感器網络技術重量輕，適應用於移動的結構，如火車及飛機，令今後的實時結構監測更進一步，有助加強工程结構的安全、從根本上改變現有工程結構維護的理念。」
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Journal
Smart Materials and Structures