Neuartige zementäre Materialien mit Mechanolumineszenz für die Anwendung der sichtbaren Spannungsüberwachung und -aufzeichnung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8388 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Entwicklung einer präzisen visuellen Belastungserkennung in Echtzeit ist für den Bereich der Gebäudetechnik von entscheidender Bedeutung. Hierin wird eine neue Strategie für die Entwicklung neuartiger zementärer Materialien durch hierarchische Aggregation intelligenter Lumineszenzmaterialien und harzbasierter Materialien untersucht. Das zementartige Material mit einer solchen Schichtstruktur ist von Natur aus in der Lage, die Spannung sichtbar zu machen, zu überwachen und aufzuzeichnen, indem die Spannung in sichtbares Licht umgewandelt wird. Die aus dem neuartigen zementären Material hergestellte Probe könnte unter Anregung eines mechanischen Impulses über 10 Zyklen wiederholt grünes sichtbares Licht emittieren, was darauf hindeutet, dass das zementäre Material eine hoch reproduzierbare Leistung zeigt. Darüber hinaus zeigen die numerischen Simulationen und Analysen für die Spannungsmodelle, dass die Lumineszenzzeit synchron mit der Spannung ist und die Emissionsintensität proportional zum Spannungswert ist. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, in der das zementäre Material eine sichtbare Spannungsüberwachung und -aufzeichnung ermöglicht, die neue Erkenntnisse für die Erforschung moderner multifunktionaler Baumaterialien liefert.

Zementhaltige Materialien spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der menschlichen Zivilisation, insbesondere im modernen Baubereich1,2,3,4,5. Allerdings werden die Gebäudestrukturen mit der Verbesserung des Strukturdesigns und der Materialverarbeitungskapazität immer komplexer, was dazu führt, dass es schwierig wird, die Spannungsverteilung auf der Struktur zu erkennen. Darüber hinaus verändert sich die Spannungsverteilung aufgrund der komplexen Betriebsumgebungen wie Wechsellast, Korrosionsermüdung oder Risse, was zu Strukturbrüchen führen kann. Derzeit umfassen die Spannungserkennungsmethoden hauptsächlich elektrische Messmethoden und Gittermethoden, die das Dehnungssignal in ein elektrisches Signal oder ein optisches Signal umwandeln6,7,8,9,10,11,12. Da die derzeitigen Methoden jedoch jeweils nur Daten zu einem Punkt mit einem bestimmten Instrument erfassen können, ist es schwierig, die Spannungsverteilung der gesamten Struktur mit dem menschlichen Auge schnell und genau zu beobachten. Daher ist es wichtig, neue Methoden zur visuellen Überwachung und Aufzeichnung von Stress zu erforschen.

Derzeit ist es eine vorherrschende Methode, neuartige intelligente zementäre Materialien durch Hinzufügen intelligenter Materialien zu erforschen13,14,15,16,17. Dabei wurden lumineszierende zementäre Materialien durch die Kombination von Leuchtstoff mit zementhaltigem Material erhalten18,19,20. Die aktuelle Forschung realisiert jedoch nur die Emission von sichtbarem Licht und es gibt keine tiefgreifende Anwendung von sichtbarem Licht. Es ist bekannt, dass sichtbares Licht ein sehr einfaches Signal ist, das vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Wenn also das zementäre Material die Spannung in sichtbares Licht umwandeln kann, kann die visuelle Erkennung von Spannung realisiert werden. Mechanolumineszenz (ML)-Material ist eine Art neues intelligentes Material, das die externe mechanische Energie ohne die Unterstützung von Elektronen- oder Photonenanregung in Lichtemission umwandeln kann21,22,23,24,25,26. In den letzten Jahren haben Forscher viele neuartige ML-Materialien entwickelt, wie ZnS/CaZnOS:Mn21, CaLaAl3O7:Tb3+25 und SrMgAl10O17:Ce3+27 usw. Unsere früheren Untersuchungen ergaben, dass die Emissionsfarbe von Verbindungen in fester Lösung (Ca1−xSrx )8Mg3Al2Si7O28:Eu2+ konnte unter der elastischen Spannung von grün nach blau eingestellt werden, was eine spannungsinduzierte ML-Spektralmigration ermöglichte und neue Erkenntnisse zur Spannungserkennung lieferte28. Dieser Lumineszenzmodus ermöglicht den Einsatz des ML-Materials im Bereich der Spannungsverteilung. Allerdings werden die meisten ML-Materialien in der Technik durch Sprühfilme aufgetragen. Die Qualität des Sprühfilms nimmt mit der Zeit jedoch allmählich ab, was die Genauigkeit der Erkennungsergebnisse verringert. Darüber hinaus ist die Umgebung im zementartigen Material komplex, wie beispielsweise hohe innere Luftfeuchtigkeit und starke Alkalität, was die Lumineszenzeigenschaft von Leuchtstoff erheblich beeinträchtigen kann, wenn der Leuchtstoff in das Innere des zementartigen Materials dotiert wird. Daher ist es sehr wichtig, eine geeignete Methode zu erforschen, um geeignetes ML-Material in das Innere des zementären Materials einzubringen, damit das zementäre Material eine Multifunktion entfalten und die Spannung auf natürliche Weise in sichtbares Licht umwandeln kann, was einer bequemen, schnellen und genauen Erkennung förderlich ist Spannungen in der Gebäudestruktur.

In dieser Studie wird Harz als zementäres Material (Zementmaterial auf Harzbasis) ausgewählt, um ML-Material zur Herstellung eines neuartigen zementären Materials auf Harzbasis mit sichtbarer Spannungsüberwachung und -aufzeichnung zu aggregieren. Die mechanischen Eigenschaften harzbasierter zementärer Materialien wurden durch die Dotierung von Fasern aufgrund ihrer Sprödigkeit optimiert. Zunächst wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Faserarten und -mengen diskutiert und dann der intelligente ML-Leuchtstoff dem optimierten zementären Material zugesetzt. Der Zusammenhang zwischen der Spannungsverteilung und dem sichtbaren Licht wurde im Detail untersucht. Darüber hinaus zeigte das synthetisierte zementartige Material auch Nachleuchteigenschaften; die Lumineszenzmechanismen des Nachleuchtens und der Mechanolumineszenz wurden untersucht. Die synthetisierten neuartigen zementären Materialien ermöglichten die direkte Beobachtung der Spannungsverteilung durch sichtbares Licht nach dem Formen, was einen hohen Anwendungswert im Baubereich bot.

Die mechanischen Eigenschaften der Probe werden durch unterschiedliche Faserarten optimiert. Die mechanischen Festigkeiten der Harzproben nach der PP-, Stahl- und Basaltfaserverstärkung wurden untersucht und sind in Abb. 1 dargestellt. Im Vergleich zur Blindprobe kann die Biegefestigkeit durch die Dotierung von 0,5 Vol‰ um das 1,17-, 1,23- und 1,18-fache verbessert werden. PP, 0,5 Vol‰ Stahl bzw. 0,5 Vol‰ Basaltfasern (Abb. 1a). Ähnlich wie die Biegefestigkeit erhöht sich auch die Druckfestigkeit nach der Faserverstärkung. Wie in Abb. 1b gezeigt, erhöht sich die Druckfestigkeit um das 1,05-, 1,06- und 1,04-fache für 0,5 Vol‰ PP, 0,5 Vol‰ Stahl bzw. 0,5 Vol‰ Basaltfaser. Es konnte festgestellt werden, dass die mechanische Festigkeit der Probe nach der Faserverstärkung verbessert werden kann, der Verstärkungsgrad jedoch für verschiedene Faserarten unterschiedlich ist. Darüber hinaus nehmen die Biege- und Druckfestigkeiten der Proben ab, wenn der Gehalt an PP und Stahlfasern 0,5 Vol‰ übersteigt, was sich von dem von Basalt unterscheidet. Dieses Phänomen kann auf den variablen Verstärkungsmechanismus für verschiedene Fasertypen zurückzuführen sein30,31,32. Normalerweise hängt der Versagensprozess von Proben unter Druck mit der Entstehung von Mikrorissen, der Ausdehnung, der Bildung von Makrorissen und dem Eindringen zusammen. Bei der Entstehung erster Mikrorisse spielen PP- und Basaltfasern eine Brückenfunktion, um die Entstehung von Mikrorissen zu verhindern. Wenn sich der Mikroriss weiter ausdehnt und einen Makroriss bildet, beginnt die Stahlfaser, die Rissentwicklung einzuschränken, um ein schnelles Kollabieren und Versagen der Probe zu verhindern33,34,35,36. Aufgrund der unterschiedlichen Verstärkungsmechanismen ist die Dotierung von Hybridfasern eine effiziente Methode zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit von Proben.

Die Biegefestigkeit (a) und die Druckfestigkeit (b) von Einzelfaser-dotierten Proben.

Abbildung 2 zeigt das mechanische Verhalten von Proben durch Dotierung von PP + x-Stahl und PP + y-Basalt-Hybridfasern. Wie in Abb. 2a gezeigt, konnten die Biege- und Druckfestigkeiten von Proben, die mit 0,5 Vol‰ PP + 0,5 Vol‰ Stahl-Hybridfasern dotiert waren, um das 1,09- bzw. 1,04-fache im Vergleich zu einfach dotierten PP erhöht werden, was darauf hindeutet, dass die Hybridfaser vorteilhaft ist Verbesserung der Biege- und Druckfestigkeit, die der Verhinderung von Mikro- und Makrorissen mit Hilfe von PP + Stahl-Hybridfasern dient. Es ist jedoch zu beachten, dass der Dopinggehalt innerhalb eines angemessenen Rahmens kontrolliert werden sollte. Wie in Abb. 2a dargestellt, verringern sich die Biege- und Druckfestigkeiten auf das 0,70-fache bzw. 0,88-fache der Anfangsfestigkeit, wenn x = 2,0 Vol‰, was daran liegen kann, dass die übermäßigen Gehalte die Viskosität der Mischung erhöhen, was zu einer ungleichmäßigen Zusammensetzung führt beim Formen und beeinflusst dann die Festigkeit. In ähnlicher Weise kann die PP + y-Basalt-Hybridfaser auch die Biege- und Druckfestigkeit der Probe verbessern, wie in Abb. 2b gezeigt, die sich im Vergleich zur ursprünglichen Probe um das 1,03- bis 1,04-fache erhöhen könnte.

Die Biege- (a) und Druckfestigkeiten (b) von mit PP + xsteel/ybasalt-Hybridfasern dotierten Proben.

Basierend auf den oben genannten Ergebnissen konnte bestätigt werden, dass die Dotierung von Hybridfasern das mechanische Verhalten durch unterschiedliche Dimensionen verbessern könnte. Um die mechanischen Eigenschaften ständig zu optimieren, werden drei Arten von Fasern gemischt und ihre Auswirkungen auf die Festigkeit sind in Abb. 3 dargestellt. Sowohl die Biege- als auch die Druckfestigkeit der Proben könnten durch Zugabe von 1,0 Vol‰ Basalt weiter verbessert werden das 0,5 Vol‰ PP + 1,0 Vol‰ Stahlsystem. Im Vergleich zum Ausgangsmuster erhöhen sich die Biege- und Druckfestigkeiten um das bis zu 1,10- bzw. 1,02-fache, wobei die Verbesserung der Biegefestigkeit besser ist als die der Druckfestigkeit. Die Ergebnisse legen nahe, dass die mechanischen Eigenschaften von gummimodifizierten Harzproben durch die Hybridfaser aus 0,5 Vol‰ PP + 1,0 Vol‰ Stahl + 1,0 Vol‰ Basalt deutlich verbessert werden könnten. Basierend auf dem bemerkenswerten Ergebnis wird das ML-Material der für Hybridfasern optimierten Probe hinzugefügt, um eine sichtbare Spannungsüberwachung und -aufzeichnung zu ermöglichen. Die Biege- und Druckfestigkeiten der Probe nach der Phosphordotierung betragen 15,98 MPa bzw. 24,75 MPa, was nahe an denen der ursprünglichen Probe liegt, was darauf hindeutet, dass die Dotierung mit Phosphor nur geringe Auswirkungen auf die Festigkeit hat.

Die Biege- und Druckfestigkeiten von mit PP + Stahl + Zbasalt-Hybridfasern dotierten Proben.

Als nächstes wird die Leistung der Probe in verschiedenen Lumineszenzmodi getestet. Die Photolumineszenz- (PL) und persistenten Lumineszenzspektren (PSL) der Probe wurden zunächst untersucht und sind in Abb. 4 dargestellt. Abbildung 4a zeigt das PL-Spektrum, das einen breiten grünen Emissionspeak bei 522 nm zeigt. Die grüne Emission reagiert darauf der Übergang von 5d-4f. für Eu2+37,38 und die CIE-Koordinate ist (0,2876, 0,5690) (Abb. 4b). Nach der Analyse der grundlegenden PL-Eigenschaft werden die langen Nachleuchteigenschaften der Probe getestet. Alle Texte werden in einem dunklen Raum nach 10-minütiger Bestrahlung mit einer 365-nm-Lichtquelle untersucht. Abbildung 4c zeigt das PSL-Spektrum, das einen breiten grünen Emissionspeak mit der Mitte bei 513 nm umfasst. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass die PSL-Emission auch von der Eu2+-Emission herrührt und die CIE-Koordinate bei (0,2207, 0,5463) liegt (Abb. 4b). Die Untersuchung der anhaltenden Zerfallszeit zeigt eine lange Lebensdauer des angeregten Zustands der Probe (Abb. 4d). Die Abklingkurve nimmt beim anfänglichen Abklingen (200 s) schnell ab, bevor sie sich zu einem langsamen Abklingen stabilisiert, sogar bis 1000 s, wo die Emissionsintensität immer noch viel höher ist als das Hintergrundsignal. Abbildung 4e zeigt den Abfall der Emissionsfarben für die Probe. Wenn das UV-Licht ausgeschaltet wird, zeigt die Probe immer noch grüne Emission, die sogar nach 40 Minuten beobachtet werden kann. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die synthetisierte Probe PL- und PSL-Eigenschaften verarbeitet.

(a) PLE- und PL-Spektren der Probe. (b) Die CIE-Koordinaten von PL und PSL. (c) Das PSL-Spektrum der Probe. (d) Die anhaltenden Lumineszenzintensitäten als Funktion der Zeit. (e) Fotos der anhaltenden Lumineszenz durch Änderung der Verzögerungszeit.

Als nächstes wird die ML-Eigenschaft der Probe unter äußerer Belastung untersucht. Zur bequemen und genauen Analyse wurde eine zylindrische Probe aus dem zementhaltigen Material auf Harzbasis hergestellt und ihre ML-Lumineszenzeigenschaften untersucht und in Abb. 5 dargestellt. Wie in Abb. 5a gezeigt, besteht das System für den ML-Test Es besteht aus drei Teilen: einer universellen Prüfmaschine zur Spannungsversorgung, einer optischen Faser zur Erfassung und Übertragung des optischen Signals sowie einem Computer zur Steuerung der Prüfmaschine und Darstellung des optischen Signals. Die zylindrische Probe zeigt aufgrund der anhaltenden Lumineszenz eine grüne Emission ohne äußere Belastung. Allerdings nimmt die Emissionsintensität mit zunehmender Spannung im mittleren Teil erheblich zu und nimmt dann mit abnehmender Spannung ab. Die Änderung der Emissionsintensität zeigt an, dass die Probe mit einer Stressreaktion ausgestattet ist.

(a) Foto eines im Labor hergestellten Systems für den ML-Test und einer lumineszierenden Probe als Funktion der Belastung. (b) ML-Spektrum der Probe. (c) ML-Kurven, wenn über die Zeit eine Last von bis zu 1000 N ausgeübt wurde. (d) ML-Kurven unter einer Drucklast von 1000 N zehnmal.

Abbildung 5b zeigt das ML-Spektrum der Probe bei Raumtemperatur. Das beobachtete ML-Emissionsspektrum zeigt Ähnlichkeit mit den PL- und PRL-Spektren, die eine breite asymmetrische Bande aufweisen, was darauf hindeutet, dass die ML-Emission von der Emission von Phosphor herrührt. Abbildung 5c zeigt die ML-Intensität einer zylindrischen Probe bei einer Belastung von bis zu 1000 N. Die ML-Intensität nimmt mit zunehmendem Druck zu und erreicht gleichzeitig das Maximum. Dieses Phänomen legt nahe, dass die Beziehung zwischen der ML-Emissionsintensität und der ausgeübten Kraft linear ist , die die Grundlage für die berührungslose Stresserkennung ist. Darüber hinaus wurde die wiederholte ML-Anregung eines mechanischen Impulses über 10 Zyklen unter 1000 N aufgezeichnet und ist in Abb. 5d dargestellt. Die ML-Intensität nimmt unter dem zyklischen Belastungsprozess allmählich ab, die ML-Intensität kann jedoch weiterhin erkannt werden und der stärkste Punkt der ML-Intensität liegt gleichzeitig mit der maximalen Belastung in jedem Zyklus. Der Trend der ML-Intensität stimmt mit der Laständerung überein. Diese Phänomene legen nahe, dass das zementäre Material nach dem Formen eine hoch reproduzierbare ML-Leistung zeigt und für die Überwachung und Aufzeichnung sichtbarer Spannungen eingesetzt werden kann.

Die obigen Ergebnisse belegen, dass das synthetisierte zementartige Material unter äußerer Belastung nach dem Formen automatisch sichtbares Licht emittieren kann und die ML-Emissionsintensität eine lineare Beziehung zur ausgeübten Belastung aufweist. Um eine präzise Spannungserkennung zu ermöglichen, wird der entsprechende Zusammenhang zwischen der Spannungsverteilung auf der Probe und der ML-Emission detailliert analysiert. Die Spannungsverteilung auf der zylindrischen Probe wird durch die Methode der numerischen Finite-Elemente-Simulation berechnet. Wie in Abb. 6a dargestellt, verläuft die Spannungsverteilung entlang der Richtung der aufgebrachten Last (Y′OY-Richtung), y ist der Abstand vom Mittelpunkt O entlang der Y′OY-Richtung und R ist der Radius der Probe, das simulierte Ergebnis zeigt an, dass die Spannung vom Rand zur Mitte hin allmählich abnimmt. Außerdem wird die ML-Intensität der zylindrischen Probe erfasst und im 3D-Modell dargestellt (Abb. 6b). Es lässt sich feststellen, dass die Emissionsintensität des zentralen Teils höher ist als die der anderen Teile. Darüber hinaus zeigt die ML-Intensität des zentralen Teils einen Trend, der von einer Seite des Zylinders zur anderen zunächst abnimmt und dann zunimmt. Der Mittelpunkt weist die niedrigste ML-Intensität auf, was mit der Spannungsverteilung auf der Probe übereinstimmt. Die ML-Intensität (rote Punkte), aufgetragen gegen y/R, zeigt eine exponentielle Übereinstimmung mit der simulierten Spannung entlang der Y′OY-Richtung (schwarze Linie), wie in Abb. 6c dargestellt. Darüber hinaus zeigt die Abbildung des Konturprofils die Intensitätsänderung in verschiedenen Bereichen. Wie in Abb. 6d dargestellt, entspricht Linie 1 dem Hintergrundbereich, in dem die Emissionsintensität nicht erfasst werden kann. Linie 2 ist der linke Bereich der zylindrischen Probe, in dem die Emissionsintensität konstant ist, was auf die lange Nachleuchtemission zurückzuführen ist. Linie 3 kreuzt den zentralen Teil, wo die Intensität zunächst abnimmt und dann zunimmt. Linie 4 ist der rechte Bereich der zylindrischen Probe, der ein ähnliches Phänomen wie Linie 2 zeigt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Helligkeitsbild in Abb. 5a überein, was darauf hinweist, dass die ML-Emission nur im darunter liegenden Bereich beobachtet werden kann äußerer Stress, und die ML-Intensität ist proportional zur Stärke des Stresses. Diese spannenden Ergebnisse legen nahe, dass der Wert der Spannung durch Messung der ML-Intensität in der Probe geschätzt werden kann. Gleichzeitig kann die ML-Emission sofort beobachtet werden, wenn die Spannung ausgeübt wird, was zeigt, dass das zementäre Material eine sichtbare Spannungsüberwachung und -aufzeichnung ermöglicht.

(a) Die Spannungsverteilungen in der zylindrischen Probe. (b) Die 3D-ML-Verteilung. (c) Die Vergleiche zwischen experimenteller und stimulierter Spannungsverteilung entlang Y′OY im Pellet unter Druck. (d) Die Änderung der ML-Intensität in verschiedenen Bereichen.

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass es in der Probe drei Arten von Lumineszenzmodellen gibt: (I) PL; (II) PSL und (III) ML, der Mechanismus jedes Modells ist unterschiedlich28,39,40. Wie in Abb. 7 dargestellt, wird der PL-Prozess dem Elektronenübergang zwischen der Anregung und dem Grundorbital von Eu2+ zugeordnet. Mit Hilfe der UV-Anregung können die Elektronen im 4f7-Grundzustand von Eu2+ in die angeregten 4f65d-Zustände übergehen und dann in den Grundzustand zurückkehren (Prozess ①), begleitet von PL-Emission. Einige Elektronen können jedoch unter der UV-Anregung in das Leitungsband übergehen und von den Fallen eingefangen werden, wenn die Elektronen aus dem Hochenergiezustand zurückfallen (grau gestrichelt). Die von der flachen Falle eingefangenen Elektronen können bei Raumtemperatur unter dem Einfluss thermischer Störungen zum Lumineszenzzentrum zurückkehren, was zur PSL-Emission führt (Prozess ②). Es ist ersichtlich, dass die Spektralformen von PL und ML ähnlich sind, was beweist, dass die Emission von ML auch von Eu2+-Ionen stammt. Die Struktur des ML-Leuchtstoffs ist asymmetrisch. Die erzeugte elastische Verformung der Probe führt dazu, dass der ML-Leuchtstoff beim Anlegen der Spannung ein piezoelektrisches Feld erzeugt, das die Elektronen von der tiefen Falle zur flachen Falle anregen und zur ML-Emission führen kann (Prozess ③)40 . Es ist ersichtlich, dass jeder Lumineszenzmodus einem anderen Mechanismus entspricht, sodass die Probe über mehrere Emissionsmodi verfügt und eine dauerhafte Emission und visuelle Überwachung der Belastung realisiert.

Der Lumineszenzmechanismus von PL, PRL und ML.

Basierend auf den oben genannten Untersuchungen wurde das ML-Phänomen der 4 cm × 4 cm × 16 cm großen Probe, die aus dem zementhaltigen Material hergestellt wurde, während des Biegetests untersucht. Die Lumineszenzbilder der Proben wurden gesammelt und sind in Abb. 8 dargestellt. Der gesamte Test wurde in Gegenwart von rotem Interferenzlicht durchgeführt. Die Probe zeigt ein grünes Nachleuchten, wie in Abb. 8b dargestellt, das bei äußerer Beeinflussung beobachtet werden kann. Mit zunehmendem Druck emittiert ein Punkt zunächst sichtbare grüne Emission, wie in Abb. 8d–f dargestellt, was darauf hinweist, dass der Druck auf Punkt a größer ist als der auf die Punkte b und c. Mit zunehmendem Druck ist die grüne Emission an den Punkten b und c zu finden (Abb. 8g). Dieses Phänomen weist darauf hin, dass der Druck an den drei Punkten im Biegetest unterschiedlich ist. Darüber hinaus entspricht die Spaltposition der Probe einem Punkt. Es ist zu beachten, dass das ML-Phänomen während des gesamten Testvorgangs nur in den drei Kontaktteilen deutlich beobachtet werden kann und das ML-Ergebnis nicht durch das Interferenzlicht beeinflusst werden kann. Außerdem stimmt die Änderung der Lumineszenzintensität mit dem Druck überein, was beweist, dass die äußere Spannung durch sichtbares Licht beobachtet werden kann. Darüber hinaus betragen die Biege- und Druckfestigkeit der Probe nach der Phosphordotierung 15,98 MPa bzw. 24,75 MPa, was nahe an der ursprünglichen Probe liegt, was darauf hindeutet, dass die Dotierung mit Phosphor nur geringe Auswirkungen auf die Festigkeit hat.

Die PSL(a, b)- und ML(c–h)-Fotos einer 4 cm × 4 cm × 16 cm großen Probe im Biegetest.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein neuartiges multifunktionales zementäres Material durch hierarchische Aggregation von intelligentem ML-Phosphor und Harzmaterial synthetisiert wurde. Die Biegefestigkeit und Druckfestigkeit von zementhaltigem Material könnten durch die Dotierung von 0,5 Vol‰ PP + 1,0 Vol‰ Stahl + 1,0 Vol‰ Basalt-Hybridfasern verbessert werden, indem die Entstehung und Entwicklung von Mikro- und Makrorissen unterdrückt wird. Darüber hinaus bot das optimierte zementäre Material auf Harzbasis durch die Zugabe von intelligentem ML-Leuchtstoff drei Arten von Lumineszenzmodi. Das PL-Spektrum zeigte, dass die Probe grüne Emission aufwies, und die Abklingkurve zeigte, dass die grüne Emission länger als 40 Minuten anhalten konnte. Darüber hinaus verfügte die Probe über eine ML-Leistung, die unter Belastung deutlich sichtbare Emission abgeben konnte. Die numerische Finite-Elemente-Simulation und die Profilanalyse der Konturkarte legten nahe, dass die sichtbare Emission nur in der Region beobachtet werden konnte, die von der externen Spannung betroffen war. Darüber hinaus verlief die Erzeugung von sichtbarem Licht synchron mit der Einwirkung äußerer Belastung, und die Änderung der Emissionsintensität war proportional zur Stärke der Belastung. Diese Ergebnisse zeigten, dass das synthetisierte zementartige Material in technischen Bereichen wie Brücken und Tunneln eingesetzt werden kann, wodurch gleichzeitig eine visuelle Erkennung der Spannungsverteilung in Bereichen mit hoher Belastung und Notbeleuchtung erreicht werden kann. Diese Art von Funktion wurde zum ersten Mal in zementhaltigen Materialien auf Harzbasis realisiert, was für die Innovation der Spannungsprüftechnik und moderner Baumaterialien hilfreich war.

Die Rohstoffe für zementäre Proben auf Harzbasis waren wie folgt: Harz, Härter, Entschäumer, Gummipartikel (0,2–0,4 mm) und Fasern. Das Harz und der Härter wurden in China Korea (Wuhan) Petrochemical Co., Ltd. hergestellt. Fasern wurden von Beijing futen Technology Co., Ltd. gekauft. Das Harz war 128 Epoxidharz mit transparenter Flüssigkeit, Dichte: 1,16 (g/cm3, 25 °C), Epoxidäquivalent: 184–190 (g/EQ), Viskosität: 12.000–15.000 (CPS, bei 25 °C). Der Härter war modifiziertes Amin TX-B2 mit hellgelber bis bräunlich-gelber transparenter Flüssigkeit, Dichte: 0,97 ~ 1,03 (g/cm3, 25 °C), Viskosität: < 300 (mPa.s, 25 °C), theoretisch aktiver Wasserstoff Äquivalent: 65–70 g/aktives H. Die Eigenschaften der Fasern sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Mischungsverhältnis der Proben ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Zunächst wurden Harz, Härter und Entschäumer gemischt und dann nacheinander Gummipartikel und Fasern zugegeben. Die gemischten Materialien wurden in die Standardform (40 mm × 40 mm × 160 mm) gegossen, um sie 7 Tage lang bei Raumtemperatur auszuhärten. Anschließend wurden die Druck- und Biegefestigkeiten untersucht.

Um die Mechanolumineszenzeigenschaft der Probe zu bewerten, wurde das kommerzielle ML-Material vom Strontiumaluminat-Typ (Youyan Rare Earth New Materials Co., Ltd) zu den zementhaltigen Materialien auf Harzbasis hinzugefügt, wobei das Massenverhältnis zwischen ML-Material und zementhaltigem Material auf Harzbasis gleich ist 0,2:1. Die zementäre Probe wurde unter Verwendung der Standardform (40 mm × 40 mm × 160 mm) für mechanische Festigkeit und einer selbst hergestellten Kunststoffform (Durchmesser 25 mm; Dicke 15 mm) im Lumineszenztest hergestellt. Das Harz, der Härter und der Leuchtstoff wurden zunächst im geeigneten Verhältnis gemischt und dann wurde die Mischung auf den Boden der Form gegossen. Danach wurde der verbleibende Raum der Form mit dem zementären Material auf Harzbasis (synthetisiert in Abschnitt 2.1) gefüllt. Die zementäre Probe wurde 7 Tage lang bei Raumtemperatur ausgehärtet.

Die mechanischen Festigkeiten der Proben wurden mit der Druckprüfmaschine TYE-300 von Wuxi Jianyi Instrument Machinery Co., Ltd. untersucht. Der Testprozess folgte dem PRC-Standard „GB/T 17,671–199929“. Die Spektren der Photolumineszenzanregung (PLE), der Photolumineszenz (PL) und der anhaltenden Lumineszenz (PSL) wurden mit einem Fluoreszenzspektrometer (FP-8600, JASCO Co., Japan) erfasst, das mit einer 150-W-Xe-Lampe ausgestattet war. Die Mechanolumineszenzintensität (ML) der Probe unter zusätzlicher Belastung wurde mit einem im Labor hergestellten System gemessen, das aus einer Universalprüfmaschine (AGS-X10kN, Shimadzu Corp., Japan) und einer Photomultiplierröhre (C13796, Hamamatsu Photonics, Japan) bestand. Das ML-Spektrum der Probe wurde mit einem Faserspektrometer (QE Pro, Ocean Optics) untersucht, das mit der Universalprüfmaschine verbunden war.

Experimentelle Daten für diese Studie können auf begründete Anfrage von Shiqi Liu angefordert werden.

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Diese Arbeit wurde von der National Nature Science Foundation of China (Grant No. 12074298) unterstützt. Shenzhen Science and Technology Program (Grant No. JCYJ20220530140614032), „CUG Scholar“ Scientific Research Funds an der China University of Geosciences (Wuhan) (Projekt No. 2022175).

Wuhan Research Institute of Metallurgical Construction, MCC, Wuhan, 430081, China

Bing Zhang, Shiqi Liu, Zichen Zhou, Ming Zeng und Jianfeng Zhang

Fakultät für Materialwissenschaften und Chemie, China University of Geosciences, 388 Lumo Road, Wuhan, 430074, China

Dong tu

Wuhan University Shenzhen Research Institute, Shenzhen, 518057, China

Dong tu

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Die Materialvorbereitung, Datenerfassung und Analyse wurden von BZ, SL und JZ durchgeführt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von BZ und SL verfasst, ZZ, MZ und DT überarbeiteten die Studie und betreuten das Projekt. Alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Shiqi Liu oder Dong Tu.

Die Autoren haben keine relevanten finanziellen oder nichtfinanziellen Interessen offenzulegen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, B., Liu, S., Zhou, Z. et al. Neuartige zementäre Materialien mit Mechanolumineszenz für die Anwendung der sichtbaren Spannungsüberwachung und -aufzeichnung. Sci Rep 13, 8388 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34500-5

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Eingegangen: 14. Dezember 2022

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 24. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34500-5

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