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Aug 19, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11226 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Este estudio informa la medición de la tensión óptica de próxima generación con una "piel inteligente con detección de tensión" (S4) y una comparación de su rendimiento con el método establecido de correlación de imágenes digitales (DIC). S4 mide los cambios inducidos por la tensión en las longitudes de onda de emisión de nanotubos de carbono de pared simple incrustados en una película delgada sobre la muestra. La nueva película S4 mejora la uniformidad espectral de los sensores de nanotubos, evita la necesidad de recocido a temperaturas elevadas y permite mediciones DIC paralelas. Los mapas de deformación sin contacto medidos con las películas S4 y el escaneo puntual se compararon directamente con los de DIC en muestras de prueba de acrílico, concreto y aluminio, incluida una con daños en el subsuelo. Las características de la cepa se revelaron más claramente con S4 que con DIC. Las simulaciones del método de elementos finitos también mostraron una mayor concordancia con los resultados de S4 que con los de DIC. Estos hallazgos resaltan el potencial de la tecnología de medición de deformaciones S4 como una alternativa prometedora o complemento a las tecnologías existentes, especialmente cuando las deformaciones acumuladas deben detectarse en estructuras que no están bajo observación constante.

Una concentración de tensiones es un lugar en el que la tensión mecánica es significativamente mayor que en el área circundante. Puede ocurrir cuando existen irregularidades en la geometría o material de un componente estructural. Los materiales frágiles normalmente fallarán en lugares con tensiones tan altas debido a fracturas y grietas. Para materiales dúctiles, la concentración de tensiones podría causar deformación plástica localizada y fluencia. Además, las grietas por fatiga y fractura debidas a cargas de bajo nivel pero de alta frecuencia también crecerían en las regiones de concentración de tensiones y causarían daños. Muchos casos de falla estructural en edificios, puentes, barcos y aviones están estrechamente relacionados con la concentración de tensión-deformación. Como indicador directo de los efectos de la concentración de tensiones, la medición de la deformación juega un papel importante en el monitoreo de la salud estructural (SHM) y las pruebas no destructivas. Por esta razón, durante las últimas décadas se han realizado muchos estudios analíticos, numéricos1,2,3 y experimentales para investigar la deformación estructural y el daño inducido por diversas condiciones de carga.

Los métodos experimentales de medición de deformación se pueden dividir en dos categorías principales: técnicas basadas en contacto y sin contacto. En la detección de deformación por contacto, los sensores piezorresistivos y de rejilla de Bragg (FBG) de fibra son los más utilizados. Los sensores de deformación piezoresistivos incluyen el extensómetro de lámina y otros sensores fabricados con materiales con propiedades piezorresistivas, como nanotubos de carbono (CNT)4,5,6 y compuestos metálicos 7,8,9. En materiales piezoresistivos, la conductividad cambia con la deformación en una relación lineal10. Por el contrario, los sensores FBG son ópticos y ofrecen las ventajas de insensibilidad a las interferencias electromagnéticas, pequeñas dimensiones y resistencia a la corrosión11,12,13. Sin embargo, tanto para los sensores piezoresistivos como para los FBG, la deformación se mide puntualmente en una dirección individual, lo que genera un alto costo y una baja resolución espacial cuando se necesita un mapeo de deformación de campo completo. Estos sensores son más útiles cuando los usuarios tienen conocimiento previo de las ubicaciones de concentración de estrés y pueden implementarlos en consecuencia.

Las técnicas ópticas de detección de deformación sin contacto tienen dos ventajas principales. Uno es evitar la necesidad de conexiones eléctricas o de fibra óptica entre los sensores y el dispositivo de medición. El otro muestra la distribución de deformaciones en una región de interés bidimensional, lo cual es importante para la detección de daños y los estudios del comportamiento de las fracturas. Actualmente, las técnicas de detección de tensión óptica sin contacto de campo completo se pueden clasificar como: (1) interferométricas14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, (2) basadas en imágenes o ( 3) espectroscópico. Las técnicas interferométricas miden los desplazamientos a escala micrométrica de un material basándose en patrones de interferencia óptica. Pueden ser muy sensibles a la variación del campo de deformación, pero sólo son adecuados para la medición de estructuras de modelos a pequeña escala en entornos de laboratorio.

El método basado en imágenes más aceptado y comúnmente utilizado es la correlación de imágenes digitales (DIC), que proporciona mapas de desplazamiento y deformación de campo completo comparando imágenes digitales de patrones naturales o aplicados en la superficie de la muestra en estados deformados y no deformados24. En comparación con las técnicas interferométricas, la DIC se puede utilizar en una gama más amplia de entornos de medición y para diferentes escalas espaciales, sensibilidades a la deformación y resoluciones espaciales. Sin embargo, DIC es un método indirecto que se basa en un procesamiento numérico complejo de imágenes. La galga extensométrica virtual (VSG) es un elemento común y clave en el método DIC. VSG es una pequeña región de la imagen sobre la cual se calcula la deformación promedio, análoga al área física cubierta por un medidor de tensión resistivo. Por lo tanto, la elección del tamaño de VSG determina la resolución espacial y la precisión en una medición de deformación DIC. Un tamaño pequeño genera mapas de deformación con menos suavizado a costa de datos de deformación más ruidosos, mientras que un tamaño de VSG grande reduce el ruido pero puede no detectar gradientes de deformación espacial agudos indicativos de daño estructural. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, un estudio de sensibilidad del tamaño del VSG siempre es importante para interpretar los resultados de la DIC. Esto generalmente se hace comparando los resultados con las lecturas de las galgas extensométricas adjuntas que se utilizan como referencia. Además, la precisión de los resultados de DIC depende en gran medida de la calidad de la óptica y la cámara de imagen.

En un enfoque óptico más directo para la medición de la deformación, se han desarrollado métodos basados ​​en espectroscopia para superar algunas limitaciones de las técnicas interferométricas y basadas en imágenes. El trabajo líder en esta área involucra nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), que muestran cambios sistemáticos en sus espectros vibratorios y electrónicos en respuesta a la deformación mecánica. Por lo tanto, los SWCNT que están adheridos a una superficie se pueden utilizar como pequeños sensores de deformación interrogados ópticamente. Varios estudios han demostrado la detección de tensión basada en SWCNT utilizando cambios en las frecuencias de dispersión vibratoria Raman de los nanotubos25,26,27,28 en comparación con el enfoque basado en contacto. Sin embargo, estos métodos Raman se ven obstaculizados por señales de dispersión intrínsecamente débiles y largos tiempos de medición, lo que los hace poco prácticos para la mayoría de las aplicaciones. Se han obtenido señales ópticas mucho más potentes, una adquisición de datos más rápida y una mayor sensibilidad a la deformación utilizando espectros de fluorescencia de infrarrojo cercano SWCNT para deducir la deformación29. En este método de “piel inteligente con detección de tensión” o S4, la emisión de SWCNT incrustados en una delgada película de polímero en la superficie de la muestra se captura y analiza espectralmente para encontrar la magnitud de la deformación local en las ubicaciones y direcciones deseadas. Debido a que los sensores de nanotubos están distribuidos por toda la superficie recubierta, los valores de deformación se pueden medir en ubicaciones y direcciones arbitrarias y combinarse para obtener mapas de deformación de campo completo30,31,32,33. Aquí informamos los últimos avances en el método S4 y una comparación detallada del mapeo de cepas S4 con los resultados de DIC.

Los sensores de tensión de nuestro método S4 son nanotubos de carbono de pared simple. Se trata de nanomateriales artificiales con estructuras tubulares formadas a partir de átomos de carbono que se unen covalentemente en formas específicas con orden cristalino de largo alcance34. Cada forma estructural, o especie, tiene una estructura electrónica distinta y está etiquetada por un par de números enteros (n,m). La mayoría de las especies de SWCNT son semiconductoras y emiten fluorescencia en el infrarrojo cercano en longitudes de onda bien definidas correspondientes a sus bandas específicas baps35. Los cambios sistemáticos en estas longitudes de onda de emisión inducidas por la deformación axial SWCNT36 forman la base de la detección de deformación óptica S4.

En las películas S4, los nanotubos se recubren individualmente con el polímero orgánico PFO (poli(9,9-di-n-octilfluorenil-2,7-diil)) y se aplican como una suspensión de tolueno a la superficie de la muestra. La evaporación del disolvente deja una capa sensora de espesor submicrónico. La deformación posterior de la muestra da como resultado la transferencia de carga a través del polímero adherente a los SWCNT incrustados, transmitiendo tensión que se revela mediante mediciones espectroscópicas sin contacto de los cambios de fluorescencia de SWCNT. Hemos descubierto que la separación de longitudes de onda entre los picos de emisión (7,6) y (7,5), ilustrada en la Fig. 1a, es un monitor confiable de tensión. Utilizando el factor de calibre espectral predeterminado estándar que relaciona estos cambios máximos con las deformaciones, podemos medir la magnitud de la deformación y el eje principal en cualquier ubicación de la superficie de la muestra colocando el haz de excitación de fluorescencia y orientando su plano de polarización.

(a) Espectro de emisión de una película S4 en una muestra con una tensión de sustrato de 0 (puntos negros) y 4,5 mε (puntos rojos) [adaptado de la referencia 30]; (b) película S4 estructurada en capas; (c) esquema para medir mapas de deformación 2D en el método S4. La muestra se escanea en trama antes (arriba a la izquierda) y después (abajo a la izquierda) de la prueba de estrés para encontrar la separación de picos espectrales en cada punto de la cuadrícula. Luego, esas separaciones se restan puntualmente y se dividen por el factor de calibre espectral para obtener el mapa de deformación del espécimen (derecha).

Algunos sustratos pueden resultar dañados por el disolvente de tolueno o pueden generar luminiscencia que interfiere con la medición de S4. En tales casos es necesario aplicar un revestimiento base, como una capa de pintura opaca, para bloquear la emisión del sustrato y/o proteger la superficie. Sobre esta capa base de bloqueo aplicamos una capa de imprimación aislante de poliuretano de alto brillo para proteger la pintura bloqueadora del daño del tolueno y para proporcionar una base microscópicamente lisa para la capa sensora muy delgada, que se rocía sobre ella después de que se seca la imprimación aislante. Esta estructura de tres capas proporciona un entorno consistente para los SWCNT, lo que reduce las variaciones en sus estados de deformación iniciales y proporciona una buena uniformidad espectral sin la necesidad de recocer la película a temperaturas elevadas. El esquema de recubrimiento de tres capas también nos permite pintar un patrón moteado en la capa de bloqueo para permitir mediciones paralelas de mapas de deformación DIC y S4 en la misma muestra. La Figura 1b ilustra la estructura de recubrimiento de tres capas.

Para fabricar el recubrimiento, primero se limpia la superficie de la muestra para asegurar una buena unión y transferencia de carga. Después de eso, la capa de recubrimiento base se aplica mediante pintura con aerosol. Si es necesario bloquear las emisiones intrínsecas del sustrato, la pintura negra es apropiada; de lo contrario, se prefiere la pintura blanca para mejorar la intensidad de la fluorescencia de los SWCNT en la película. El color de los patrones moteados para DIC se elige para que contraste con el color base. Las motas y la imprimación deben dar acabados mate para evitar reflejos especulares. Otros requisitos de fabricación, como tamaño, densidad, variación y espesor, pueden seguir la guía práctica de DIC37. Luego se rocía la capa aislante de poliuretano sobre los patrones DIC. Hemos encontrado buenos resultados utilizando el poliuretano en aerosol transparente y brillante de secado rápido Minwax. Esta capa debe tener aproximadamente 2 μm de espesor, lo cual es suficiente para suavizar las irregularidades de la superficie pero lo suficientemente delgada para una transferencia de carga eficiente. Después de que el poliuretano esté completamente curado, lo que demora aproximadamente 24 h a temperatura ambiente, se aplica la capa sensora SWCNT utilizando el protocolo descrito anteriormente32.

Antes de usar el nuevo recubrimiento S4 para mediciones de deformación, realizamos una calibración simple para correlacionar los cambios de pico espectrales con lecturas de un medidor de lámina resistiva convencional. El cambio en la separación entre las longitudes de onda máximas (7,6) y (7,5) es proporcional a la deformación de la muestra, con un "factor de calibre espectral" definido por la pendiente:

Aquí \(\gamma\)(7,6) y \(\gamma\)(7,5) son las longitudes de onda máximas de emisión de (7,6) y (7,5) SWCNT en la película de detección y ε es la cepa del espécimen. El valor de \(\gamma\) debe ser consistente para diferentes muestras preparadas con el mismo material de recubrimiento base y protocolo de aplicación de película.

La Figura 1c ilustra el procedimiento utilizado para medir mapas de deformación usando S4. Primero, antes de la carga, se obtiene un mapa de deformación de referencia de la muestra mediante un escaneo ráster puntual del lector de deformación óptico sobre la región de interés (ROI). En cada punto, se determinan las longitudes de onda máximas de la emisión SWCNT (7,6) y (7,5) y la diferencia de longitudes de onda se registra como un elemento de una matriz espectral de referencia. Después de que la muestra haya sido sometida a prueba de tensión, se escanea nuevamente con el mismo patrón de trama para generar la matriz espectral final. Luego restamos los elementos de la matriz de referencia de los elementos de la matriz final y los dividimos por γ para obtener la matriz de valores netos de deformación inducida. Para permitir la comparación con un mapa de deformación DIC, tomamos fotografías de alta resolución del patrón de moteado en la región de interés de la muestra antes y después de la deformación. Para ello, es necesario controlar con precisión la posición de la cámara con respecto a la muestra y reproducirla en las dos fotografías.

La muestra de prueba utilizada para la calibración fue una barra acrílica en forma de "I" de 1,4 mm de espesor. Aplicamos el recubrimiento S4 de tres capas en el centro de su superficie superior y montamos un medidor de tensión de lámina convencional en el centro de su superficie inferior. La Figura 2 muestra la muestra y la configuración experimental. La barra se estresó axialmente para inducir deformaciones de tracción de 0 a 1500 με utilizando una plantilla motorizada. Debido a que la muestra no sufrió deformación ni flexión fuera del plano durante esta prueba, suponemos que las deformaciones fueron iguales en sus superficies superior e inferior. Para evaluar la estabilidad de nuestras mediciones S4, cargamos y descargamos la muestra a través de múltiples ciclos mientras comparamos los datos espectrales S4 con las deformaciones reportadas por el medidor de lámina.

Fotografías de (a) cara frontal de la muestra acrílica con revestimiento S4; (b) cara posterior de la muestra acrílica con galga extensométrica adjunta; (c) configuración experimental para la carga de muestras y la adquisición de datos S4.

El ROI escaneado en esta muestra fue un área cuadrada de 10 × 10 mm2, como se marca en la Fig. 2. Inicialmente ajustamos la posición del cabezal de lectura vertical para brindar el mejor enfoque del láser en la superficie y luego realizamos un escaneo rasterizado horizontal con pasos de 0,5 mm, lo que da un total de 441 puntos de datos en una cuadrícula de 21 × 21 puntos en el ROI. El tiempo de permanencia para la medición espectral en cada punto fue de 1 s. Para cada espectro medido, un programa de análisis de datos personalizado ajustó las características de emisión de (7,5) y (7,6) SWCNT a funciones gaussianas y determinó con precisión la diferencia de longitud de onda entre sus dos centros mientras se adquiría el siguiente espectro. Promediamos esos valores en los 441 puntos para obtener la separación máxima media para cada uno de los varios niveles de carga informados por el medidor de lámina.

El marco superior de la Fig. 3 muestra las lecturas del extensómetro de lámina con las separaciones de longitud de onda correspondientes entre los picos (7,6) y (7,5) medidas durante la carga cíclica. Las separaciones de longitud de onda para los ciclos 2 y superiores se trazan en función de la tensión en el marco inferior. Estos datos muestran una respuesta casi lineal con un valor γ (pendiente) de − 1,5 nm/mε, que está muy cerca del valor encontrado en estudios S4 anteriores sin una capa base debajo de la capa sensora32. Encontramos un valor de γ (pendiente) de − 1,5 nm/mε como “factor de calibre estándar” en todos los casos de este artículo. Estos resultados también indican una transferencia de carga eficiente y reproducible desde la muestra de prueba a los sensores de deformación de nanotubos.

Marco superior: lecturas de galgas extensométricas registradas (rojo) y separaciones de longitud de onda máxima promediadas (negro) bajo carga de tracción cíclica; Cuadro inferior: separaciones de longitud de onda máxima versus deformación de la muestra para los últimos 1½ ciclos de carga (la pendiente es de -1,5 nm/mε).

Realizamos los siguientes tres estudios de casos para comparar mapas de deformación medidos utilizando los métodos S4 y DIC escaneados. Las muestras representan diferentes materiales con formas diseñadas para generar distintos patrones de concentración de tensión/deformación durante las pruebas.

Las primeras muestras de comparación fueron dos barras acrílicas en forma de 'I' con las mismas dimensiones descritas anteriormente. Para la primera muestra, se cortó una muesca cuadrada en el costado para concentrar la tensión bajo carga axial y así generar un patrón de deformación característico. Para la segunda muestra, se perforó un agujero circular en el centro. La sección central de la superficie superior del espécimen se cubrió nuevamente con una película S4 con un patrón de motas DIC aplicada a la capa base. Colocamos un medidor de tensión de lámina convencional en la superficie inferior cerca de las irregularidades estructurales. El tamaño de la muesca cuadrada, el orificio circular y la posición del medidor de tensión se muestran en la Fig. S1. Se encontró que la deformación elástica de la muestra acrílica era cercana a los 20 mε38. Para mantener la prueba de deformación dentro del rango elástico, limitamos la deformación a 1,7 mε.

Para la muestra con muescas, la región escaneada S4 en esta muestra era un área rectangular de 20 × 16 mm2. Para aumentar la resolución espacial, la posición del cabezal de lectura del S4 se escaneó en pasos de 0,2 mm, dando un total de 8181 puntos en todo el ROI. Para la muestra perforada, la región escaneada S4 era un área cuadrada de 7 × 7 mm2 con pasos de 0,1 mm en cada dirección, lo que da un total de 5041 puntos sobre la ROI. Realizamos dos escaneos de la muestra, uno antes y otro después de la carga, y restamos el primero del segundo para tener en cuenta las irregularidades espaciales de fondo resultantes de tensiones menores inducidas en los sensores SWCNT durante el curado de la película. La Figura 4 muestra el patrón de tensión neta resultante como un mapa codificado por colores.

Mapas de deformación codificados por colores de las muestras acrílicas medidas con S4 y DIC, y las simulaciones FEM correspondientes, fila superior: muestra con una muesca a la derecha, fila inferior: muestra con un agujero en el centro.

Para permitir una comparación directa con los resultados del S4, también medimos un mapa de deformación DIC de la muestra en paralelo bajo las mismas condiciones. Debido a que en esta prueba no se observó deformación fuera del plano, utilizamos una técnica 2D-DIC con una sola cámara (Logitech BRIO Ultra HD). La cámara había sido calibrada antes de su uso en mediciones DIC. Para la muestra con muescas, la sección correspondiente a nuestro ROI contenía aproximadamente 2300 × 1200 píxeles. El posprocesamiento de imágenes se realizó con el motor de correlación de imágenes digitales (DICe), utilizando un tamaño de subconjunto de 31 píxeles (0,4 mm) y un tamaño de paso de 15 píxeles (0,2 mm). Tras un estudio de sensibilidad, se seleccionó el tamaño del VSG como 120 píxeles (0,15 × 0,15 mm2). Para la muestra perforada, la sección correspondiente a nuestro ROI contenía aproximadamente 850 × 850 píxeles. El posprocesamiento de imágenes se realizó utilizando un subconjunto de 25 píxeles (0,2 mm) y un tamaño de paso de 12 píxeles (0,1 mm). El tamaño de VSG se determinó en 90 píxeles (0,08 × 0,08 mm2). Puede encontrar más información sobre la medición de DIC en la Tabla S1.

Para comparar los mapas de deformación experimentales con una simulación computacional, construimos un modelo del método de elementos finitos (FEM) utilizando ANSYS 2021 R1. El modelo del material asumió una elasticidad isotrópica con un módulo de Young de 3,0 GPa y una relación de Poisson de 0,37. Para igualar el tamaño de paso experimental de DIC y S4, la longitud mínima del elemento cerca de la muesca y el orificio se estableció en 0,2 mm y 0,1 mm. La Figura S2 muestra la cuadrícula de malla FEM utilizada para calcular el mapa de deformación.

En la Fig. 4 comparamos mapas de cepas codificados por colores obtenidos por S4, DIC y FEM. Tanto el mapa S4 como el DIC dan deformaciones con magnitudes similares al resultado de la simulación FEM, pero con detalles espaciales significativamente diferentes. En particular, el mapa de deformaciones de S4 muestra detalles espaciales más finos y concuerda más con los resultados de la simulación. Esto es evidente por las dos fuertes concentraciones de deformación ubicadas en las esquinas internas de la muesca (puntos marcados A y B). S4 revela máximos de deformación altamente localizados indicados por los puntos rojos, capturando con precisión los grandes gradientes de deformación. Estos se parecen mucho a los máximos localizados en la simulación FEM. Por el contrario, esos máximos aparecen difusos y algo desplazados en el mapa de tensión DIC. Para la muestra con el agujero, el mapa S4 informa deformaciones mucho más precisas que el DIC, particularmente en los altos gradientes de deformación cerca del agujero.

La Figura 5a muestra los perfiles de deformación de la muestra con muescas a lo largo de la línea vertical que conecta los puntos A y B, y la Figura 5b muestra los perfiles de deformación a lo largo de la línea horizontal que pasa por la parte inferior de la muesca en el punto B. En comparación con el perfil FEM, tanto S4 como DIC captura con éxito el primer pico en el punto A. Sin embargo, el pico DIC en el punto B está excesivamente ampliado, tiene una magnitud demasiado baja y es inconsistente con la simetría de la muestra. En la Fig. 5b, DIC subestima la tensión máxima en el punto B en casi 2 mε.

Perfiles de deformación a lo largo de (a) la línea que conecta los puntos A y B en la fila superior de la Fig. 4; (b) la línea horizontal que pasa por el punto B en la fila superior de la Fig. 4; (c) la línea vertical que pasa por el punto C en la fila inferior de la Fig. 4; (d) la línea horizontal que pasa por el punto D en la fila inferior de la Fig. 4.

Para comparar los resultados de la muestra perforada en los marcos inferiores, las Figs. 4, 5c muestra perfiles de deformación a lo largo de la línea vertical que pasa por el punto C y la Fig. 5d muestra perfiles a lo largo de la línea horizontal que pasa por el punto D. Encontramos que S4 captura las magnitudes y posiciones simétricas de la deformación máxima en buena concordancia con las simulaciones FEM, mientras que DIC se equivoca en posición en 5c y en magnitud en casi 2 mε en 5d. Las discrepancias son el resultado de errores numéricos y del suavizado espacial VSG en el procesamiento de imágenes DIC.

Concluimos que debido a que no intercambia resolución espacial por resolución de deformación, el método S4 detecta con mayor precisión regiones altamente localizadas de deformaciones grandes/picos (con gradientes de deformación pronunciados). Estas concentraciones de deformación y gradientes de deformación pronunciados en los bordes, esquinas y puntas de grietas en general no son capturados por DIC, sin embargo, deben detectarse en el mantenimiento estructural y en las inspecciones de salud porque pueden provocar fallas estructurales y de materiales.

El segundo espécimen del estudio de caso fue un pequeño bloque de concreto que había sido moldeado con un orificio redondo en el centro para concentrar la tensión durante las pruebas de compresión. La muestra contenía cemento Portland tipo I/II con una relación agua/cemento de 0,5 y una relación cemento/agregados de 0,5 (ver Fig. S3 para más detalles). Se curó en agua durante 7 días antes de realizar la prueba. Cubrimos la sección central de la superficie superior de la muestra con una capa base opaca para bloquear la emisión intrínseca del infrarrojo cercano del cemento39, que de otro modo interferiría con las mediciones de S4. Luego se aplicó un patrón moteado DIC, seguido de una capa aislante y la capa sensora S4. También adjuntamos un medidor de tensión de lámina convencional en el costado de la muestra, como se muestra en la Fig. S3c. Luego, la muestra se comprimió uniaxialmente hasta que el calibre de lámina dio una lectura de deformación de 650 με.

El cabezal de lectura S4 escaneó una región de 20 × 20 mm2 de la cara recubierta en pasos de 0,25 mm, dando un total de 8181 puntos sobre el ROI. Los espectros de emisión se midieron en estos puntos con polarización láser tanto paralela como perpendicular al eje de compresión para sondear la tensión en esas direcciones. Siguiendo el mismo procedimiento ilustrado en la Fig. 1c, realizamos escaneos completos de la muestra antes y después de la carga, y restamos el primero del segundo para tener en cuenta las variaciones espaciales menores en los estados de deformación SWCNT iniciales causados ​​por el curado de la película y el mapa de deformación calculado con - Factor de calibre estándar de 1,5 nm/mε.

Los datos DIC de la misma muestra se recopilaron utilizando dos cámaras y la técnica 3D-DIC para tener en cuenta el posible movimiento fuera del plano durante la carga. Las cámaras eran idénticas y del mismo tipo que las utilizadas en el estudio del Caso 1. El posprocesamiento de imágenes se realizó con el software DICe, utilizando un tamaño de subconjunto de 30 píxeles (0,54 mm) y un tamaño de paso de 15 píxeles (0,27 mm). Finalmente se seleccionó el tamaño del extensómetro virtual en 120 píxeles (aproximadamente 0,2 × 0,2 mm2) después de un estudio de sensibilidad.

Para nuestra simulación FEM, el material se definió como hormigón normal (cemento Portland) en la base de datos ANSYS Granta Design. El modelo material asumió un módulo de Young de 19,4 GPa y una relación de Poisson de 0,14. La cuadrícula de malla FEM utilizada para calcular el mapa de deformación se ilustra en la Fig. S4.

La Figura 6 compara mapas de deformación cerca del orificio a lo largo de los ejes perpendicular (x) y paralelo (y) en relación con la dirección de carga, medido por los métodos S4 y DIC y calculado por FEM. Los resultados FEM muestran que las áreas a ambos lados del agujero a lo largo del eje perpendicular (x) están (1) débilmente comprimidas (o con tensión casi nula) en los bordes izquierdo y derecho del agujero, y (2) en tensión en el parte superior e inferior del agujero. Los resultados FEM cerca del agujero a lo largo del eje paralelo (y) muestran claramente (1) compresión en los bordes izquierdo y derecho del agujero, y (2) tensión en la parte superior e inferior del agujero. Las concentraciones de deformación de tracción y compresión encontradas mediante mediciones S4 y DIC concuerdan cualitativamente con los mapas FEM pero varían significativamente en detalle. El mapa de deformación S4 es más exacto y preciso si examinamos los mapas de deformación de los ejes x e y en busca de detalles cuantitativos y características claramente definidas. Sin embargo, en el mapa DIC muchas características de deformación están completamente ausentes, como las características de compresión fina a aproximadamente 45° en el mapa del eje x. Observamos que debido a que el concreto es un material no homogéneo para el cual el comportamiento de fractura es complejo y difícil de predecir, nuestro modelo FEM no puede capturar con precisión todas las características evidentes en el mapa de deformación S4. Las franjas verticales en nuestros mapas S4 medidos que muestran concentraciones de deformación de alta tensión cerca del agujero indican la formación de microfisuras durante la etapa inicial de falla del material.

Mapas de deformación de una muestra de hormigón con un orificio central comprimido a lo largo del eje y. Las filas de arriba a abajo muestran la tensión medida con S4, DIC y simulada mediante cálculos FEM. Los paneles de la izquierda muestran componentes de deformación perpendiculares al eje de tensiones y los paneles de la derecha muestran componentes paralelas al eje de tensiones.

Ambas mediciones revelan anomalías de deformación localizadas, pero los mapas de deformación de DIC no revelan muchos detalles más finos. Por ejemplo, las características de tensión fina en la dirección vertical aparecen en el mapa DIC del eje x pero están totalmente ausentes en el mapa DIC del eje y, un resultado inconsistente desde el punto de vista de la mecánica. En comparación, los mapas S4 muestran con mayor precisión la distribución de deformaciones en ambas direcciones que pueden resultar en el desarrollo de microfisuras, lo que resulta beneficioso para estudios de fracturas y detección de daños.

Los estudios de caso finales se realizaron en dos placas de aluminio de 6,4 mm de espesor y 25,4 mm de ancho con defectos en el subsuelo. Como se ilustra en la Fig. S5, en uno, se perforó un orificio de 3,8 mm en todo el ancho de la muestra a lo largo del eje y para crear el defecto; en el otro, el agujero se extendía sólo a través de un tercio del ancho. Estos estudios tenían como objetivo probar si el daño estructural interno representado por los agujeros podía detectarse a partir de mediciones de deformación superficial después de una carga de tracción a lo largo del eje x. Para tener en cuenta el posible movimiento fuera del plano durante la carga, aplicamos la versión 3D de DIC para ambas muestras.

La Figura 7 compara los resultados de la primera muestra (con un orificio pasante). Controlamos la carga de tracción sobre la muestra para que excediera ligeramente el límite elástico antes de soltarla, de modo que quedara una pequeña tensión residual en la placa. Una sola banda de deformación por compresión (región azul) intercalada entre dos bandas de concentración de deformación por tracción (regiones amarilla/roja) se puede identificar claramente en el mapa S4 y en la simulación FEM. Como lo muestran los perfiles de deformación trazados en la Fig. 7d, S4 y FEM concuerdan bien cerca del centro, y ambos muestran patrones de deformación positivo-negativo-positivo similares, picos negativos en x = 0 mm y amplitudes coincidentes dentro de 0,2 mε. Se pueden observar discrepancias en ubicaciones a más de 5 mm del centro, donde el mapa S4 sugiere un aumento de la tensión, mientras que FEM predice que la tensión caerá a cero. El patrón simétrico en el mapa S4 sugiere que este desajuste puede representar un efecto físico real que no fue capturado adecuadamente en la simulación FEM. El mapa de deformación DIC tiene un nivel de ruido más alto que el S4 y tiene mucho menos éxito a la hora de localizar la característica negativa principal o revelar el patrón de deformación general. Por lo tanto, esta prueba muestra que el método S4 es más eficaz que el DIC para detectar daños ocultos en muestras con deformaciones superficiales inferiores a 1 mε.

Mapas de deformación codificados por colores de la muestra de aluminio estresada y perforada en el subsuelo según lo encontrado en (a) mediciones S4; (b) mediciones de DIC; (c) Simulación FEM. El cuadro (d) muestra los perfiles de deformación de los tres métodos a lo largo de la dirección x en y = 0.

La muestra de prueba final tenía deformaciones más grandes que fueron inducidas por la carga de tracción después de que se perforara un orificio de 3,8 mm en un tercio de su ancho para representar el daño interno (subsuperficial). Los resultados de la medición se muestran en la Fig. 8. En este caso, la comparación con la simulación FEM no fue posible debido a incertidumbres en los parámetros del material posterior al rendimiento de la muestra y a la excentricidad en la carga. Esto último es evidente en el mapa de deformación asimétrica S4 en la Fig. 8. Aquí, hay una clara diferencia entre las magnitudes máximas derecha e izquierda, aunque se esperaría que coincidieran por simetría. Los mapas de deformación S4 y DIC concuerdan cualitativamente al mostrar dos franjas de concentración de deformación que son mayores en el borde perforado de la placa y se disipan gradualmente cerca del final del orificio perforado. Este patrón de deformación refleja el defecto estructural del subsuelo. En comparación con los resultados que se muestran en la Fig. 7, se puede ver que la calidad del mapa DIC mejora para este caso de mayor tensión (hasta 2 mε). Para mostrar de manera más cuantitativa los resultados de S4 y DIC, trazamos los perfiles de deformación en y = − 9,0 mm e y = − 9,5 mm en los paneles inferiores de la Fig. 8. Existe una discrepancia considerable de aproximadamente 0,4 mε en los valores de deformación máxima encontrados. por los dos métodos. Los perfiles S4 muestran menos ruido, características más nítidas y una diferencia más consistente entre las amplitudes de los picos en las coordenadas x positivas y negativas, lo que atribuimos a la carga excéntrica. Los perfiles DIC muestran tensión de compresión en ciertos lugares, lo cual es incorrecto. Este caso de prueba final sugiere que el mapeo S4 sigue siendo cualitativamente superior al DIC en este régimen de deformación más alto de hasta 2 mε.

Mapas de deformación de la muestra de aluminio a la que se le perforó un orificio de 8 mm de largo debajo de la superficie x-y a lo largo de la dirección y y luego se le tensó a lo largo del eje x. Los cuadros superior izquierdo y superior derecho muestran mapas de cepas codificados por colores medidos con S4 y DIC, respectivamente. Los gráficos inferiores izquierdo y derecho muestran perfiles de deformación de los dos métodos a lo largo de la dirección x en y = − 9,0 mm e y = − 9,5 mm, respectivamente.

El rendimiento del mapeo de deformaciones S4 se ha mejorado significativamente con los desarrollos actuales, en los que la película sensora que contiene nanotubos de carbono está separada de una capa de bloqueo o imprimación mediante una capa de aislamiento suave. Este diseño reduce las variaciones de tensión iniciales entre los sensores de nanotubos sin la necesidad de recocer el recubrimiento a temperaturas elevadas, lo que proporciona una gran ventaja para estructuras grandes o sensibles al calor. También permite la aplicación de patrones de moteado DIC para que los mapas de deformación S4 y DIC se puedan medir en paralelo en la misma muestra para su validación o para un novedoso enfoque híbrido combinado de mapeo S4 y DIC (actualmente en desarrollo). En un enfoque híbrido de este tipo, los mapas DIC grandes podrían complementarse con el mapeo S4 local de regiones con gradientes de deformación pronunciados.

En el método DIC, la tensión se calcula a partir del desplazamiento de los nodos utilizando una función de forma definida sobre los elementos de la imagen y luego se promedia espacialmente para reducir el ruido. Para elegir correctamente los parámetros de análisis de imágenes DIC, se requiere un estudio de sensibilidad que incluya lecturas de un extensímetro de referencia. Por el contrario, el método S4 mide la deformación directamente a partir de la respuesta espectral de muchos sensores de deformación de nanotubos de carbono submicrométricos independientes. El factor de calibre estándar de −1,5 nm/mε se utiliza para calcular el mapa de deformación. No se necesitan medidores de referencia y no existe ningún compromiso entre la resolución de deformación y la resolución espacial.

Un punto adicional importante es que DIC no proporciona los valores de deformación en los bordes; Los valores en nuestros mapas de tensión DICe son puntos cercanos a los bordes, pero no exactamente en ellos (excluyendo el borde VSG debido a la falta de motas cerca de los bordes).

Una gran ventaja de S4 es que cada valor de deformación local se determina de forma independiente y no depende de mediciones cercanas. Por lo tanto, S4 puede medir adecuadamente los valores de deformación en bordes con gradientes de deformación pronunciados.

Hemos desarrollado una película multicapa de próxima generación para el mapeo espectroscópico de tensiones sin contacto utilizando el método S4. En este diseño de tres capas, el sustrato se recubre primero con una capa de imprimación opaca, luego con una capa de aislamiento polimérico suave y, finalmente, con una película delgada que contiene sensores de deformación de nanotubos de carbono de pared simple. También se puede agregar una capa de acabado transparente si es necesario para la protección del medio ambiente. Utilizando estas películas S4 de próxima generación, realizamos mediciones escaneadas de S4 y DIC en paralelo en muestras de prueba de acrílico, concreto y aluminio a las que se les dio forma y tensión para inducir patrones sistemáticos de deformación residual. Las comparaciones entre los mapas S4, los mapas DIC y las simulaciones FEM muestran que S4 revela los patrones de deformación con mayor fidelidad que los mapas DIC, particularmente para deformaciones grandes o máximas con gradientes pronunciados. Más importante aún, S4 es un método directo que mide la deformación de forma independiente en cada punto medido, mientras que DIC es un método indirecto que se basa en imágenes de alta resolución y procesamiento de imágenes en el que la deformación se calcula promediando una región que representa un medidor de tensión virtual. Este filtrado puede oscurecer características importantes con altos gradientes de deformación.

Además de estos beneficios, el S4 tiene la ventaja en comparación con el DIC de medir la deformación acumulada sin la necesidad de una observación constante o un registro altamente preciso de las imágenes de las muestras antes y después del estrés. Esta característica lo hace muy adecuado para muchas aplicaciones de campo para las cuales DIC puede resultar poco práctico. En conjunto, nuestros hallazgos apuntan al valor de las mediciones de deformación S4 como una alternativa o complemento muy prometedor a las tecnologías existentes para la evaluación no destructiva y el mantenimiento de la salud estructural40.

Los datos descritos en este documento están disponibles previa solicitud.

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Los autores agradecen el apoyo a la investigación de la Oficina de Investigación Naval (subvención ONR N00014-14-1-0013) y la Fundación Nacional de Ciencias (subvención CHE-1803066).

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Satish Nagarajaiah

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WM preparó muestras, desarrolló e ideó partes del experimento, adquirió y analizó datos; AP analizó datos; SMB ideó y supervisó experimentos S4; SN y RBW proporcionaron orientación y financiación para el proyecto; WM, RBW, SN prepararon el manuscrito; Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Satish Nagarajaiah.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Meng, W., Pal, A., Bachilo, SM et al. Mapeo de tensión óptica 2D de próxima generación con piel inteligente con detección de tensión en comparación con la correlación de imágenes digitales. Informe científico 12, 11226 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15332-1

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Recibido: 02 de marzo de 2022

Aceptado: 22 de junio de 2022

Publicado: 03 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15332-1

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