丝绸传感器将显著推进新型复合材料的研究

材料牛注：采用特殊的材料和方法制作而成的丝绸传感器，在民用、航空和基础设施建设所用复合材料的设计研究方面将会起到很大的推动作用，并且极有可能为未来复合材料的检测提出新的标准。那么所谓的丝绸传感器是怎么制作和应用的呢？

照片：在黑光下用丝绸实验探测复合材料中损伤的实例。（左）家蚕蛹的普通蚕丝蛋白。观察到的荧光是由存在于纤维蛋白质结构中的分子的作用产生的。（中）机械响应性聚合物标记的丝绸纤维响应于损伤或应激而发出荧光。（右）没有机械响应性聚合物的对照试样。

消费者想要节能高效的车辆和高性能运动产品，市民想要有抗风化的桥梁，制造商想要用更有效的方式来制造可靠的汽车和飞机。人们需要的是即使长期暴露在环境压力下，也不会发生破裂的新型轻质、节能的复合材料。为了实现这一需求，国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员研究出了一种新技术，能够将纳米尺度的损伤传感探头嵌入由环氧树脂和丝绸制成的轻质复合材料中。

号称机械响应性聚合物的探针，可以加速产品测试过程，并尽可能地减少开发多种新型复合材料所要花费的时间和材料。

NIST团队使用被称为若丹明内酰胺（rhodamine spirolactam，RS）的染料制作了这种探针，该染料在受到外加力时会发出荧光。在该实验中，分子附着在环氧基复合材料所含的丝绸纤维上。随着越来越多的力被施加到复合材料上，这些应力应变激活了RS，使其在受激光激发时发出荧光。虽然肉眼看不到这种变化，但采用由NIST构建和设计的红色激光和显微镜可以拍摄到复合材料内部的照片，甚至能够显示其内部最微小的断裂和裂缝，并检测到纤维断裂的位置。这一成果被发布在了Advance Materials Interfaces杂志上。

复合材料设计中使用的材料是多种多样的。本质上，复合材料如螃蟹壳或象牙（骨）是由蛋白质和多糖组成的。而在这项研究中，环氧树脂与牛津大学Fritz Vollrath教授研究小组使用家蚕蚕蛹编制出的丝绸长丝相结合形成了一种新的复合材料。本研究中使用的纤维增强基聚合物复合材料结合了其主要组分最优异的性能—纤维的强度和聚合物的韧性。然而，所有复合材料具有的共同之处是各组分相接触的部位都有界面存在。该界面的弹性对复合材料承受损坏的能力至关重要。薄而灵活的界面通常被设计者和制造商所青睐，但测量复合材料中界面的特性是非常具有挑战性的。

带领研究小组在NIST进行相关工作的研究员Jeffrey Gilman说：“目前在研究测量复合材料宏观特性的方法上已经做了很多工作，但是在最近几十年的时间里，所要面临的挑战是要确定在界面内部发生了什么。”

一种方法是光学成像。然而，用于光学成像的常规方法仅能够在小至200-400 nm的尺度上记录图像。但一些界面的厚度只有10至100 nm，使得这项技术对于复合材料中的相间成像而言几乎无效。而通过在界面上安装RS探头，研究人员就能够使用光学显微镜在界面上“看到”损伤部位。

NIST研究团队正计划扩大他们的研究，以探索如何将这种探针用于其他种类的复合材料。他们还想使用这种传感器来增强复合材料承受极端寒冷和炎热的能力。同时，迫切需要复合材料具备可以长时间暴露于水的能力，特别是用于建造更具弹性的基础设施部件，例如桥梁和风力涡轮机的巨型叶片。

研究团队计划继续寻找更多途径，可以改进现有复合材料的标准，并为未来复合材料创建新标准，以确保这些材料的安全、坚固和可靠性。Gilman说：“我们现在有一个损伤传感器，能够帮助优化具有不同用途的复合材料。如果你尝试改进复合材料的设计，通过这个损伤传感器你可以判断你所做的更改是增强了复合材料的界面，还是削弱了它。”

原文链接：Silk Sensor Could Advance Development of New Infrastructure, Aerospace, and Consumer Materials.

文献链接：Observation of Interfacial Damage in a Silk-Epoxy Composite, Using a Simple Mechanoresponsive Fluorescent Probe

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，李杰编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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