Novos materiais cimentícios com mecanoluminescência para a aplicação de monitoramento e registro de tensões visíveis

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8388 (2023) Citar este artigo

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O desenvolvimento de detecção visual de tensão em tempo real e precisa é crucial para o campo da engenharia de construção. Aqui, uma nova estratégia é explorada para o desenvolvimento de novos materiais cimentícios por agregação hierárquica de material luminescente inteligente e material à base de resina. O material cimentício com tal estrutura em camadas é inerentemente capaz de visualizar o monitoramento e registro da tensão, convertendo a tensão em luz visível. A amostra fabricada pelo novo material cimentício pode emitir repetidamente luz verde visível sob excitação de um pulso mecânico por 10 ciclos, sugerindo que o material cimentício apresenta desempenho altamente reprodutível. Além disso, as simulações numéricas e análises para os modelos de tensão indicam que o tempo luminescente é síncrono com a tensão e a intensidade de emissão é proporcional ao valor da tensão. Até onde sabemos, este é o primeiro estudo que o material cimentício realiza monitoramento e registro de tensões visíveis, o que fornece novos insights para explorar materiais de construção multifuncionais modernos.

Os materiais cimentícios desempenham um papel muito importante no desenvolvimento da civilização humana, especialmente para o campo da construção moderna1,2,3,4,5. No entanto, as estruturas de construção estão se tornando cada vez mais complexas com a melhoria do projeto estrutural e da capacidade de processamento de materiais, o que leva à dificuldade na detecção da distribuição de tensões na estrutura. Além disso, a distribuição de tensão será alterada devido aos ambientes de serviço complexos, como carga alternada, fadiga por corrosão ou trincas, que podem resultar em fratura da estrutura. Atualmente, os métodos de detecção de tensão incluem principalmente o método de medição elétrica e o método de grade, que converte o sinal de deformação em sinal elétrico ou sinal óptico6,7,8,9,10,11,12. No entanto, os métodos atuais só podem coletar dados de um ponto por vez por meio de instrumentos específicos, é difícil observar com rapidez e precisão a distribuição de tensão de toda a estrutura pelos olhos humanos. Portanto, é importante explorar um novo método para realizar o monitoramento visual e o registro do estresse.

Atualmente, é um método predominante para explorar novos materiais cimentícios inteligentes, adicionando materiais inteligentes13,14,15,16,17. Em que materiais cimentícios luminescentes foram obtidos combinando fósforo com material cimentício18,19,20. No entanto, a pesquisa atual realiza apenas a emissão de luz visível e não há aplicação em profundidade da luz visível. É sabido que a luz visível é um sinal muito simples de ser observado pelos olhos humanos, portanto, se o material cimentício puder converter a tensão em luz visível, a detecção visual da tensão pode ser realizada. O material de mecanoluminescência (ML) é um tipo de material inteligente emergente, que pode converter a energia mecânica externa em emissão de luz sem a ajuda de excitação de elétrons ou fótons21,22,23,24,25,26. Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram muitos novos materiais de ML, como ZnS/CaZnOS:Mn21, CaLaAl3O7:Tb3+25 e SrMgAl10O17:Ce3+27, etc. Nossa pesquisa anterior descobriu que a cor de emissão de compostos de solução sólida (Ca1−xSrx )8Mg3Al2Si7O28:Eu2+ pode ser ajustado de verde para azul sob o estresse elástico, que percebeu a migração espectral ML induzida pelo estresse e forneceu novos insights sobre a detecção de estresse28. Este tipo de modo luminescente permite que o material ML seja aplicado no campo de distribuição de tensão. No entanto, a maioria dos materiais ML é aplicada na engenharia por pulverização de filme, a qualidade do filme de pulverização se deteriora gradualmente com o passar do tempo, o que reduz a precisão dos resultados da detecção. Além disso, o ambiente é complexo no material cimentício, como alta umidade interna e forte alcalinidade, o que pode afetar significativamente a propriedade luminescente do fósforo quando o fósforo é dopado no interior do material cimentício. Assim, é muito importante explorar o método apropriado para introduzir material ML adequado no interior do material cimentício, para que o material cimentício possa exibir multifunções e converter naturalmente o estresse em luz visível, o que é propício para a detecção conveniente, rápida e precisa de tensão na estrutura do edifício.