山科大刘成宝教授 Mater. Horiz.：基于超分子可视化智能传感器的海洋钢结构劣化监测

2024-12-19 13:21:32 作者：高分子科技来源：高分子科技分享至：

先进材料是海洋钻井平台、油气管道和风力涡轮机等设备高性能和可靠性的基础。然而，金属材料在海洋环境中易腐蚀和磨损，长期使用可能导致微小损伤演变为宏观缺陷，从而导致设备失效。因此，及时监测微损伤并量化失效程度对保障设备安全至关重要。结构健康监测（SHM）技术利用传感器检测工程结构的物理和化学特性变化，以评估其健康状况。尽管现有磁场、声波和红外传感器已经开发，但在复杂的海洋环境中成本高且难以大范围应用。近年来，基于聚合物的SHM材料因其柔韧性和便捷安装受到关注。压阻复合材料通过电导率变化检测损伤，但难以精确定位腐蚀，亟需新技术来准确监测局部腐蚀位置和趋势。自预警的高分子聚合物能对环境化学成分变化作出响应，金属腐蚀伴随金属离子富集和酸碱度变化。引入功能性腐蚀探针可实现局部腐蚀的视觉检测，但现有涂层多为定性诊断，缺乏定量信息。因此，开发兼顾视觉检测以及腐蚀定量分析的新型自预警材料显得尤为重要。

山东科技大学材料腐蚀与保护团队刘成宝教授，近年来围绕损伤多尺度预警与多途径修复功能防腐涂层方面展开研究。提出了基于腐蚀离子识别策略构筑局部腐蚀自预警自修复防腐涂层材料(ACS Appl. Polym. Mater. 2022, 4, 6067-6079; Nanoscale, 2022, 14, 8429; J. Ind. Eng. Chem. 2023, 118, 109-118)；通过刺激响应微胶囊对腐蚀微环境响应生色原理预警界面腐蚀（Prog. Org. Coat. 2024, 186, 108043）。系统研究了界面腐蚀直至损伤修复的钢结构腐蚀检测过程，实现了对聚合物涂层早期失效演变过程的有效预警。在上述研究基础上，山东科技大学刘成宝近期在《Materials Horizons》期刊发表“Flexible, Self-healing and Portable Supramolecular Visualization Smart Sensors for Monitoring and Quantifying Structural Damage”研究论文，为此，该研究开发了一种创新的超分子视觉化智能传感器（AP-SHM），用于监测和定量评估海洋钢结构局部腐蚀反应。该传感器通过将负载NH₂-Phen的功能性腐蚀探针引入聚脲(PU)树脂中，结合图像采集设备（如手机摄像头）实现腐蚀失效的精确量化识别。与现有的自预警涂层不同，AP-SHM不仅可作为涂层使用，还可作为柔性检测贴片，适用于金属表面的腐蚀检测。传感器中的多重动态氢键赋予其自愈能力，同时传感器的光学反馈信号可被肉眼直接识别读取，通过将传感器图像输入自主开发软件中可进一步量化腐蚀率、分布及损伤尺度。这一创新性监测策略为下一代结构健康监测材料的设计与开发提供了重要启示。

为实现海洋环境中金属设备的早期结构健康诊断和腐蚀可视化监测，开发了一种可拉伸的超分子SHM传感器。该传感器由腐蚀探针NPSi和PU弹性体组成，NPSi通过非共价作用与PU链结合，增强了材料的机械性能，并赋予其自愈合能力，能在高盐度、多湿度、多温度环境中使用。传感器可作为涂层(Coating)或贴片(Patch)，用于设备全生命周期的全场监测或局部实时诊断。通过捕捉Fe²⁺-NH₂-Phen配合物的颜色变化，传感器实现了从腐蚀动力学到颜色信号的转化。同时，传感器具备离子识别特性，可制成离子响应测试条（FeTP Strip），通过比色法间接监测金属结构健康。图像采集设备可记录传感器的响应结果，并通过软件实时评估结构损伤规模、劣化状态及局部腐蚀情况。该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金经费支持。论文第一作者是山东科技大学材料科学与工程学院2022级硕士研究生焦德志，刘成宝教授为论文通讯作者。

图1 AP-SHM柔性贴片和FeTP条的应用，以及结构失效信息的半定量转化过程。

图2 FeTP铁离子靶向试纸离子响应表征。

图3 AP-SHM传感器中腐蚀智能分析的示意图及腐蚀关系构建。

图4 AP-SHM超分子探测器的离子响应测试及海边暴露测试。

图5 AP-SHM超分子探测器严苛环境下的长期适应性。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D4MH01233J

作者简介：

刘成宝，男，中共党员，毕业于中国科学院大学，现为山东科技大学材料科学与工程学院学术教授、硕士生导师。一直从事海洋及苛刻环境下材料损伤失效机理、新型耐蚀防护材料设计理论与应用技术研究，包括特殊工况下防护涂层服役行为及延寿机制、涂层损伤原位检测及可视化技术、自修复、导热、抗结冰等功能复合涂层结构设计等。目前已在Materials Horizons, Corrosion Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Science & Technology, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Magnesium and Alloys等期刊上发表科研论文40余篇；已授权PCT发明专利1项，国内发明专利3项。授权软件著作权2项。入选山东科技大学“菁英计划”A类人才支持，青岛市“金种子”人才支持。主持了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、海洋涂料国家重点实验室开放课题及企业横向等项目。参与编写《石墨烯改性功能涂料》专著。担任《稀有金属》青年编委，中国腐蚀与防护学会会员，山东省腐蚀与防护学会理事，青岛市腐蚀与防护学会理事。