本團(tuán)隊(duì)針對(duì)危害在役鋼橋服役安全的開(kāi)裂、腐蝕等典型病害監(jiān)測(cè)難題，從迫切需求出發(fā)，多學(xué)科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點(diǎn)，研發(fā)了一種空氣噴涂式的三維隨形納米涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)，研發(fā)了適用于智能監(jiān)測(cè)的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了鋼橋病害的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。其主要特點(diǎn)和功能有：

（1）布設(shè)便利：三維隨形納米涂層材料成熟、穩(wěn)定，可噴涂成型或3D打印成型；

（2）魯棒性高：能夠有效避免溫漂問(wèn)題，耐久性好，橋梁服役環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定好；

（3）適用性好：適用于結(jié)構(gòu)鋼、混凝土、金屬材料、木材等多種材料結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)；

（4）精度高：亞毫米級(jí)精度，能夠?qū)崿F(xiàn)從亞毫米到厘米級(jí)裂紋擴(kuò)展全過(guò)程高精度監(jiān)測(cè)；

（5）拓展性好：適用于隱蔽部位鋼表面腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可重構(gòu)腐蝕范圍和測(cè)算腐蝕面積；可用于剛度突變等復(fù)雜構(gòu)造部位的循環(huán)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，應(yīng)變監(jiān)測(cè)最大可達(dá)1600微應(yīng)變。

鋼橋具有跨越能力強(qiáng)、工業(yè)化制造程度高、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，是下階段我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重中之重。但近年來(lái)由疲勞開(kāi)裂、腐蝕等導(dǎo)致的鋼橋結(jié)構(gòu)病害、服役性態(tài)退化甚至垮塌問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，已成為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重大風(fēng)險(xiǎn)源。當(dāng)前以人工巡檢為主的鋼橋病害監(jiān)測(cè)技術(shù)精度差、效率低、漏檢率高，難以支撐鋼橋高品質(zhì)安全服役的迫切需求?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》、《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中明確要求強(qiáng)化交通基礎(chǔ)設(shè)施性態(tài)精準(zhǔn)感知和監(jiān)測(cè)檢測(cè)。研發(fā)鋼橋病害監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，構(gòu)建疲勞裂紋擴(kuò)展失效全過(guò)程的有效表征和感知方法，實(shí)現(xiàn)鋼橋病害的智能監(jiān)測(cè)，有效規(guī)避鋼橋服役性能大幅劣化和災(zāi)難性事故風(fēng)險(xiǎn)，是我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)和交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)從迫切需求出發(fā)，多學(xué)科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點(diǎn)，研制了一種空氣噴涂式的涂層傳感材料和涂層結(jié)構(gòu)，研發(fā)了適用于智能監(jiān)測(cè)的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為鋼橋病害和性態(tài)感知與監(jiān)測(cè)提供了全新的技術(shù)路徑。

涂層傳感材料作為一種導(dǎo)電復(fù)合材料，其原料選擇是智能涂層傳感器研究的基礎(chǔ)，直接影響傳感器的基本性能。本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的涂層傳感材料由導(dǎo)電填料、成膜基質(zhì)、溶劑、助劑等成分組成。最后，通過(guò)空氣噴涂方式完成傳感器的制備。圖2展示了具體的制備工藝。

為了確保導(dǎo)電填料在傳感涂料中均勻分散，首先制備了硅烷偶聯(lián)液的水解液。將硅烷偶聯(lián)劑與蒸餾水混合并充分?jǐn)嚢?，在室溫環(huán)境(25℃)下放置4~6個(gè)小時(shí)后便得到硅烷偶聯(lián)劑水解液。圖1顯示了偶聯(lián)劑、導(dǎo)電填料與聚合物的反應(yīng)機(jī)理示。

 圖1偶聯(lián)劑、導(dǎo)電材料和助溶劑反應(yīng)機(jī)理示意圖

使用工業(yè)酒精清洗金屬基材表面，此后用蒸餾水沖洗基材表面。通過(guò)在金屬基材表面布設(shè)的鏤空防水貼紙，制備涂層傳感器。首先制備絕緣層，在其上布設(shè)傳感層，待傳感層固化后噴涂封裝層。

圖2 涂層傳感器制備工藝的示意圖

制備過(guò)程中，需在導(dǎo)電填料中形成電子流動(dòng)的“隧穿效應(yīng)”。導(dǎo)電填料形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)良好導(dǎo)電性能的關(guān)鍵，這種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)通常在導(dǎo)電填料的摻量超過(guò)特定的滲流閾值時(shí)形成，此時(shí)填料微粒間的接觸足以構(gòu)建起一個(gè)電子可以自由流動(dòng)的導(dǎo)電通路網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)電機(jī)制示意如圖3所示。

圖3 傳感材料電路等效示意圖

圖4展示了涂層傳感材料的導(dǎo)電機(jī)理。通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)制備的不同導(dǎo)電填料含量下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，如圖5所示。

圖4 涂層傳感材料系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖5不同導(dǎo)電填料摻量下的涂層傳感材料SEM圖 

因橋梁結(jié)構(gòu)一天中的溫度變化較大，裂紋監(jiān)測(cè)過(guò)程中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致涂層傳感材料電阻也隨之變化，從而可能淹沒(méi)因疲勞開(kāi)裂、腐蝕等導(dǎo)致的電勢(shì)變化。為了確保涂層傳感材料不因溫度變化導(dǎo)致監(jiān)測(cè)失效，開(kāi)展了溫度敏感性測(cè)試。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量涂層傳感材料試樣在不同溫度下的電阻率變化，其實(shí)驗(yàn)裝置及電路組成如圖6所示。將涂層傳感材料試樣置于溫控箱內(nèi)，通過(guò)溫控箱施加的溫度荷載模擬涂層傳感材料的溫度環(huán)境。溫度變化范圍為室溫（RT）~110℃，速率為5℃/min。在該材料試樣背面固定熱電阻溫度傳感器探頭，并將其連接到溫度數(shù)據(jù)采集卡上，以監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。采用直流穩(wěn)壓電源為試驗(yàn)電路供電。試驗(yàn)過(guò)程中的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)線同步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

(d) 系統(tǒng)電路組成

圖6 電性能的溫度敏感性試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)涂層傳感材料的溫度循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)。該試驗(yàn)包括了循環(huán)溫度范圍在室溫至70℃內(nèi)的5次升溫-冷卻循環(huán)。圖7描述了涂層傳感材料的相對(duì)電阻率變化（FCR）對(duì)溫度的響應(yīng)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于第一次溫度循環(huán)，當(dāng)溫度從室溫升高到70℃，傳感層相對(duì)電阻率FCR在45℃附近達(dá)到最大值1.82%；當(dāng)溫度由70℃降至室溫時(shí)，傳感層的相對(duì)電阻率呈下降趨勢(shì)，這是由于在冷卻過(guò)程中聚合物基體體積的緩慢收縮致使導(dǎo)電填料接觸增多。在第一次溫度循環(huán)后，試樣的電阻率并沒(méi)有完全恢復(fù)到初始值，相對(duì)電阻率FCR下降為2.8%。這是一種輕微的滯后現(xiàn)象，滯后的原因可能為助劑聚合物在升溫過(guò)程中的熱熔收縮致使復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)無(wú)法逆轉(zhuǎn)。對(duì)于第二次溫度循環(huán)，其變化趨勢(shì)與第一次循環(huán)過(guò)程類似，但整個(gè)循環(huán)過(guò)程的寬度變窄，該循環(huán)的相對(duì)電阻率滯后僅為1.2%。這表明在第二次溫度循環(huán)作用下，涂層傳感材料的相對(duì)電阻率變化趨于穩(wěn)定。此后的三次溫度循環(huán)，相對(duì)電阻率變化FCR無(wú)明顯滯后，并且循環(huán)曲線細(xì)長(zhǎng)。這意味著在溫度循環(huán)作用下，與特定溫度水平相對(duì)應(yīng)的涂層傳感材料的電阻率變化值相對(duì)恒定。此外，可以注意到，第3~5次溫度循環(huán)作用下，在升溫-降溫過(guò)程中仍存在輕微的相對(duì)電阻率增加-降低現(xiàn)象，相對(duì)電阻率變化FCR最大范圍不超過(guò)2%。在溫度范圍為室溫~70℃的循環(huán)加載期間，該材料的相對(duì)電阻率變化最大范圍不超過(guò)6.4%。然而，在本節(jié)中更重要的發(fā)現(xiàn)是，通過(guò)1~2次合適溫度范圍的升溫-降溫處理，可以有效降低涂層傳感材料相對(duì)電阻率的變化FCR，這會(huì)顯著降低涂層傳感材料電阻的溫度敏感性。

圖7 溫度循環(huán)下涂層傳感材料的FCR與溫度關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役年限長(zhǎng)，且暴露于較為復(fù)雜的氣候環(huán)境，這對(duì)于涂層傳感材料的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高的要求。通過(guò)封裝層材料的合理設(shè)計(jì)確保傳感器的耐久性。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了一種環(huán)境耐久試驗(yàn)倉(cāng)用來(lái)測(cè)量涂層傳感材料在大氣暴露環(huán)境下電性能隨時(shí)間的變化情況并觀察涂層表面腐蝕狀況，其戶外試驗(yàn)布置如圖8所示。試樣表面均勻噴涂涂層，并在表面制作接線端子以方便電性能測(cè)試。長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果表明，在外界惡劣環(huán)境下，其長(zhǎng)期性能基本保持穩(wěn)定，可滿足實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)要求。

（c）電阻和表觀長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果

圖 8 試件阻值試驗(yàn)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)系列疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了涂層傳感器監(jiān)測(cè)疲勞裂紋的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了溫度變化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)基體疲勞裂紋監(jiān)測(cè)過(guò)程的影響問(wèn)題。加載及測(cè)試系統(tǒng)如圖9（a）所示。該試驗(yàn)在室溫、空氣環(huán)境中進(jìn)行，采用紅外加熱板為試驗(yàn)提供溫度干擾。將熱電阻固定在試件背部，由溫度采集卡同時(shí)采集涂層傳感器周圍環(huán)境溫度變化。溫度干擾與加載時(shí)間的關(guān)系如圖9（b）所示。變環(huán)境溫度下疲勞裂紋監(jiān)測(cè)試驗(yàn)完成前后的試件涂層裂紋形貌如圖9（c）所示，可以看出整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，涂層與金屬基材保持了良好的隨附損傷特性，涂層沒(méi)有因?yàn)闇囟雀蓴_以及裂紋加載出現(xiàn)局部剝脫或者脫離基體的情況，裂紋未通過(guò)區(qū)域的涂層也沒(méi)有因?yàn)槠诩虞d而造成開(kāi)裂。

（a）加載及測(cè)試系統(tǒng)

（b）溫度干擾施加流程

（c）涂層傳感器輸入輸出信號(hào)布置及裂紋形貌

圖9 溫度與荷載環(huán)境干擾試驗(yàn)

圖10展示了涂層傳感器在三個(gè)溫度干擾范圍內(nèi)的輸出電位(OP)?？梢钥闯?，傳感器數(shù)據(jù)在放大后有一定波動(dòng)，這是由于輸入信號(hào)波動(dòng)、數(shù)據(jù)采集偏差和試件加載等因素造成。當(dāng)循環(huán)加載到6分鐘，并且試樣表面沒(méi)有裂紋出現(xiàn)時(shí)，施加第一次溫度擾動(dòng)，其最高溫度為83.7℃。通過(guò)第一次溫度干擾輸出信號(hào)細(xì)節(jié)放大圖（圖10 (a)）可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)處的OP在升-降溫過(guò)程中有微小波動(dòng)，波動(dòng)值不超過(guò)0.8 mV，而由循環(huán)溫度引起的OP變化的振幅為2.4 mV，大于由循環(huán)加載引起的OP波動(dòng)。當(dāng)試件出現(xiàn)一定長(zhǎng)度的明顯裂紋后，停止加載并在此期間施加第二次溫度干擾，以觀察溫度干擾對(duì)帶有裂紋的涂層傳感器是否具有顯著影響。此時(shí)，觀察到CPD為37.98mV，涂層傳感器表面裂紋長(zhǎng)度為11mm，第二次溫度擾動(dòng)最高溫度為62℃。通過(guò)第二次溫度干擾輸出信號(hào)細(xì)節(jié)放大圖（圖10 (b)），可以注意到，疲勞裂紋產(chǎn)生引起的OP1和OP2的變化分別為16 mV和54 mV，而由循環(huán)溫度引起的OP最大變化不超過(guò)1.4 mV。這表明由裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展引起的OP比由循環(huán)溫度引起的OP大得多。最后，在疲勞裂紋擴(kuò)展期間，施加第三次溫度干擾，最高溫度為82.2°C。由循環(huán)加載引起的OP波動(dòng)不超過(guò)4.2 mV。此時(shí)，由循環(huán)溫度引起的OP最大變化不超過(guò)1.8 mV，顯著小于由裂紋擴(kuò)展引起的變化。OP 1隨著裂紋的擴(kuò)展而逐漸增加，OP 2逐漸下降，溫度變化并沒(méi)有對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的電信號(hào)產(chǎn)生明顯干擾。如圖10 (c)所示。

圖10 溫度干擾范圍內(nèi)輸出電位 (OP) 放大圖

上述結(jié)果表明，與裂紋引起的輸出信號(hào)變化相比，環(huán)境溫度的變化對(duì)涂層傳感器輸出信號(hào)的影響很小。因此，本文制備的涂層傳感材料適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁裂紋檢測(cè)涂層傳感器，可以有效監(jiān)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在不同溫度環(huán)境下的裂紋。

針對(duì)疲勞微損傷檢查難、損傷演變?nèi)^(guò)程監(jiān)測(cè)難等問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于納米涂層材料的多種疲勞損傷感知傳感器，提出了裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程中納米涂層傳感器電勢(shì)場(chǎng)理論模型，并搭建了基于涂層傳感器感知裂紋的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)系列試驗(yàn)，揭示了涂層材料的隨附損傷特性和隨裂紋擴(kuò)展的電勢(shì)場(chǎng)演化機(jī)理，驗(yàn)證了所提出的涂層傳感器感知裂紋萌生和擴(kuò)展的有效性。研究結(jié)果表明，所研發(fā)的納米涂層傳感器感知精度高，最小可感知亞毫米級(jí)的疲勞裂紋，為疲勞裂紋的“早發(fā)現(xiàn)、早處置”和有效規(guī)避疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)提供了監(jiān)測(cè)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)支撐，如圖11所示。

圖11 基于納米涂層的疲勞裂紋擴(kuò)展感知與監(jiān)測(cè)技術(shù)

以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步拓展其適用范圍，開(kāi)展了不同復(fù)雜構(gòu)造部位疲勞裂紋擴(kuò)展萌生與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其三維隨形的廣泛適用性和可行性，如圖12所示。

圖12 三維隨形涂層傳感器應(yīng)用與試驗(yàn)驗(yàn)證

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種腐蝕監(jiān)測(cè)涂層傳感器，僅由絕緣層和敏感層組成，制備方法與以上傳感器保持一致，僅在涂層材料進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，通過(guò)涂層導(dǎo)電性能與腐蝕的相關(guān)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。圖13展示了暴露在大氣環(huán)境下時(shí)，涂層材料中銅的腐蝕過(guò)程。

圖13 大氣環(huán)境下的涂層腐蝕示意圖

電阻層析成像 (Electrical Resistance Tomography，ERT) 技術(shù)探測(cè)涂層傳感器感應(yīng)層的表面電阻率分布的變化，進(jìn)而識(shí)別出潛在的腐蝕區(qū)域。通過(guò)對(duì)邊界電壓（電勢(shì)差）的測(cè)量和分析，ERT可以生成具備空間位置信息的電阻率分布圖像，清晰地表征出腐蝕區(qū)域的位置和程度。為實(shí)現(xiàn)ERT技術(shù)在智能涂層傳感器上的實(shí)際應(yīng)用，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建一個(gè)完整的ERT系統(tǒng)，包括電極陣列的布置、對(duì)應(yīng)激勵(lì)模式的激勵(lì)測(cè)量控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建以及圖像重建算法的開(kāi)發(fā)，具體可以參考本團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究論文。使用快干膠將電極終端與納米涂層的邊界連接并固定，用密封劑固定和密封終端。確定涂層的暴露部分，并用透明密封劑密封剩余部分。制備完成的試件如表1所示。

通過(guò)鹽霧腐蝕試驗(yàn)來(lái)腐蝕涂層傳感器中所設(shè)計(jì)的暴露區(qū)域。鹽霧腐蝕試驗(yàn)參照《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》中的相關(guān)方法，配制中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)溶液，并采用連續(xù)噴霧的方式進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)鹽霧腐蝕箱加速腐蝕后，涂層試樣暴露區(qū)域中的導(dǎo)電填料被腐蝕并轉(zhuǎn)化為金屬化合物，形成鹽基膜覆蓋在涂層表面。涂層試件經(jīng)過(guò)干燥后，整個(gè)涂層的電導(dǎo)率分布在腐蝕區(qū)域發(fā)生重大變化，腐蝕區(qū)域的電導(dǎo)率顯著降低甚至喪失導(dǎo)電性能。因此，利用ERT技術(shù)重建涂層的電導(dǎo)率分布圖像，并反向推斷實(shí)際的腐蝕區(qū)域。反演得到的電導(dǎo)率分布被繪制成云圖，為方便對(duì)比前后腐蝕圖像的電導(dǎo)率分布變化，將色標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。由于涂層的實(shí)際電導(dǎo)率不能為負(fù)值，因此色標(biāo)的最小值被設(shè)置為0，而反演得到的電導(dǎo)率的最大值被設(shè)置為色標(biāo)的最大值，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 試件腐蝕前、后電導(dǎo)率分布，及實(shí)際腐蝕樣貌（表面電導(dǎo)率單位：S）

從整體試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，將ERT技術(shù)應(yīng)用于涂層傳感器，進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)腐蝕區(qū)域分布位置、形狀特征、面積大小的識(shí)別均具有較高的可靠性，適用于對(duì)腐蝕起始期進(jìn)行預(yù)警，以及對(duì)腐蝕發(fā)展期的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

針對(duì)復(fù)雜部位應(yīng)變監(jiān)測(cè)，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了柔性應(yīng)變傳感器由絕緣層、傳感層和保護(hù)層組成。與前文所述在材料上保持一致，但配比有所變化。為了實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)采集和輸出，傳感器的電路設(shè)計(jì)采用四電極法，其中恒定電流輸入傳感層，采集卡實(shí)時(shí)記錄輸出電壓的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電壓信號(hào)的變化與傳感層所受的應(yīng)變呈線性關(guān)系，驗(yàn)證了該電路設(shè)計(jì)的可靠性，確保傳感器在不同電流輸入條件下具有高精度、低噪聲的信號(hào)輸出性能。最后，通過(guò)一系列初步加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了傳感器的基本性能，如圖15所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示，結(jié)果表明該傳感器在平面應(yīng)變監(jiān)測(cè)中具有高靈敏度，并表現(xiàn)出良好的信號(hào)穩(wěn)定性和一致性，不受環(huán)境溫度和加載重復(fù)性的顯著影響。這部分研究不僅證明了傳感器設(shè)計(jì)與制備的可行性，還為后續(xù)試驗(yàn)研究和實(shí)際工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖15 應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)試

圖16 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

圖 17 測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

兩典型測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)差U12變化過(guò)程如圖18所示，圖中僅展示了70天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明：（1）對(duì)于母材部位裂紋已擴(kuò)展，已浸入涂層的初始裂紋長(zhǎng)度從4mm擴(kuò)展至15mm，擴(kuò)展長(zhǎng)度為11mm，涂層電勢(shì)差變化U12約為64mV，信號(hào)變化明顯；（2）因車輛荷載、環(huán)境溫度等導(dǎo)致的涂層電勢(shì)變化約為0.5mV，與裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的電勢(shì)變化存在數(shù)量級(jí)差異，外界環(huán)境對(duì)涂層監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展基本無(wú)干擾；（3）實(shí)際裂紋擴(kuò)展測(cè)試值與理論值吻合良好；（4）裂紋方向監(jiān)測(cè)表明其從涂層左側(cè)擴(kuò)展，與實(shí)際一致；（5）對(duì)于焊縫部位，實(shí)際觀測(cè)中裂紋未擴(kuò)展，電勢(shì)信號(hào)波動(dòng)幅值僅為0.15mV，其電勢(shì)信號(hào)受外界環(huán)境干擾影響極??；（6）裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，涂層始終與鋼橋基體同時(shí)擴(kuò)展且無(wú)起皮脫落等情況，涂層隨附損傷性較好?？傮w而言，該方法可有效監(jiān)測(cè)實(shí)際復(fù)雜服役環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程。

圖18 疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)結(jié)果

針對(duì)危害在役疲勞服役安全的開(kāi)裂、腐蝕等典型病害監(jiān)測(cè)難題，從迫切需求出發(fā)，多學(xué)科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點(diǎn)，研發(fā)了一種空氣噴涂式的三維隨形納米涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)，研制了適用于智能監(jiān)測(cè)的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了鋼橋病害的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并將研究成果在腐蝕感知和應(yīng)變監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了成功拓展，為鋼橋和其他材料橋梁的病害感知或監(jiān)測(cè)提供了成套技術(shù)解決方案。

（1）基于空氣噴涂式的納米涂層傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小裂紋的早期識(shí)別和裂紋擴(kuò)展的高精度感知，三維隨形特征更是適用于任意三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裂紋監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度高，受車輛荷載等干擾小，溫度敏感性低，避免了傳統(tǒng)傳感器“溫漂”問(wèn)題；

（2）結(jié)合電阻層析成像（ERT）技術(shù)的智能涂層傳感器則通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涂層表面電阻率分布變化精準(zhǔn)識(shí)別腐蝕區(qū)域的位置和范圍，具備高分辨率和可靠性，為鋼橋腐蝕的早期預(yù)警和發(fā)展監(jiān)測(cè)提供了重要技術(shù)支持；

（3）壓阻式柔性復(fù)合材料涂層傳感器利用復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變，具備高靈敏度和良好的重復(fù)性，尤其適應(yīng)不規(guī)則表面和應(yīng)變梯度較大的部位，其靈敏性能在傳感層結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到了顯著提升。

本團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域已發(fā)布的部分相關(guān)研究成果：

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張清華，博士，教授，博導(dǎo)，西南交通大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞研究方向帶頭人和研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)杰出人才獎(jiǎng)獲得者。兼任中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)焊接與連接分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)專家委員、《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編委等。目前主要從事鋼橋服役性態(tài)和結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題研究，在鋼橋智能建造和疲勞性能調(diào)控、疲勞失效機(jī)理與性能提升、結(jié)構(gòu)性能智能監(jiān)測(cè)和感知等方面取得系統(tǒng)性研究成果。近年來(lái)主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等課題100余項(xiàng)，研究成果在常泰過(guò)江通道、深中通道、港珠澳大橋等重大橋梁工程中得到成功應(yīng)用。以第一完成人獲得四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科技技術(shù)進(jìn)步特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，獲湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名2）、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科技技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)（排名3），獲中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)公路建設(shè)行業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文150余篇；出版專著4部，參編規(guī)范2部，獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)20余項(xiàng)。

崔闖，男，博士/博士后，副教授、博導(dǎo)，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人后備人選。兼任《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》、《建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展》、《市政技術(shù)》和《交通科學(xué)與工程》青年編委和《Sustainability》編委，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)焊接與連接分會(huì)理事、秘書長(zhǎng)等。主要從事鋼橋疲勞失效機(jī)制、性能評(píng)估和性態(tài)演化智能監(jiān)測(cè)檢測(cè)研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目等17項(xiàng)。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文68篇（第一/通訊52篇），授權(quán)發(fā)明專利15件和軟件著作權(quán)3項(xiàng)，主編專著1部，參編標(biāo)準(zhǔn)3部。研究成果在常泰過(guò)江通道、深中通道、港珠澳大橋等60余座重大橋梁工程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。獲四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名2）、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名2）、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名1）、湖北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名6）、華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。