本團隊針對危害在役鋼橋服役安全的開裂、腐蝕等典型病害監(jiān)測難題，從迫切需求出發(fā)，多學科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點，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構，研發(fā)了適用于智能監(jiān)測的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據采集設備，實現(xiàn)了鋼橋病害的長期監(jiān)測，具有廣闊的推廣應用前景。其主要特點和功能有：

（1）布設便利：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題，耐久性好，橋梁服役環(huán)境下長期穩(wěn)定好；

（3）適用性好：適用于結構鋼、混凝土、金屬材料、木材等多種材料結構的監(jiān)測；

（4）精度高：亞毫米級精度，能夠實現(xiàn)從亞毫米到厘米級裂紋擴展全過程高精度監(jiān)測；

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

鋼橋具有跨越能力強、工業(yè)化制造程度高、綠色環(huán)保等突出優(yōu)點，是下階段我國交通強國戰(zhàn)略基礎設施建設的重中之重。但近年來由疲勞開裂、腐蝕等導致的鋼橋結構病害、服役性態(tài)退化甚至垮塌問題日趨嚴峻，已成為交通基礎設施的重大風險源。當前以人工巡檢為主的鋼橋病害監(jiān)測技術精度差、效率低、漏檢率高，難以支撐鋼橋高品質安全服役的迫切需求?！督煌◤妵ㄔO綱要》、《“十四五”交通領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中明確要求強化交通基礎設施性態(tài)精準感知和監(jiān)測檢測。研發(fā)鋼橋病害監(jiān)測傳感技術，構建疲勞裂紋擴展失效全過程的有效表征和感知方法，實現(xiàn)鋼橋病害的智能監(jiān)測，有效規(guī)避鋼橋服役性能大幅劣化和災難性事故風險，是我國交通強國建設和交通領域科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略需求。

針對上述問題，本團隊從迫切需求出發(fā)，多學科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點，研制了一種空氣噴涂式的涂層傳感材料和涂層結構，研發(fā)了適用于智能監(jiān)測的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據采集設備，為鋼橋病害和性態(tài)感知與監(jiān)測提供了全新的技術路徑。

涂層傳感材料作為一種導電復合材料，其原料選擇是智能涂層傳感器研究的基礎，直接影響傳感器的基本性能。本團隊研發(fā)的涂層傳感材料由導電填料、成膜基質、溶劑、助劑等成分組成。最后，通過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攪拌，在室溫環(huán)境(25℃)下放置4~6個小時后便得到硅烷偶聯(lián)劑水解液。圖1顯示了偶聯(lián)劑、導電填料與聚合物的反應機理示。

 圖1偶聯(lián)劑、導電材料和助溶劑反應機理示意圖

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。通過在金屬基材表面布設的鏤空防水貼紙，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

制備過程中，需在導電填料中形成電子流動的“隧穿效應”。導電填料形成連續(xù)的導電網絡是實現(xiàn)良好導電性能的關鍵，這種連續(xù)網絡通常在導電填料的摻量超過特定的滲流閾值時形成，此時填料微粒間的接觸足以構建起一個電子可以自由流動的導電通路網絡，其導電機制示意如圖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電機理。通過掃描電子顯微鏡對制備的不同導電填料含量下的微觀結構進行觀測，如圖5所示。

圖4 涂層傳感材料系統(tǒng)微觀結構示意圖

圖5不同導電填料摻量下的涂層傳感材料SEM圖 

因橋梁結構一天中的溫度變化較大，裂紋監(jiān)測過程中，溫度變化會導致涂層傳感材料電阻也隨之變化，從而可能淹沒因疲勞開裂、腐蝕等導致的電勢變化。為了確保涂層傳感材料不因溫度變化導致監(jiān)測失效，開展了溫度敏感性測試。團隊自主設計了一套試驗測試系統(tǒng)用來測量涂層傳感材料試樣在不同溫度下的電阻率變化，其實驗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，通過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)據采集卡上，以監(jiān)測實驗過程中的溫度變化。采用直流穩(wěn)壓電源為試驗電路供電。試驗過程中的所有監(jiān)測數(shù)據通過導線同步傳輸?shù)接嬎銠C。

(d) 系統(tǒng)電路組成

圖6 電性能的溫度敏感性試驗測試系統(tǒng)

對涂層傳感材料的溫度循環(huán)穩(wěn)定性進行了試驗。該試驗包括了循環(huán)溫度范圍在室溫至70℃內的5次升溫-冷卻循環(huán)。圖7描述了涂層傳感材料的相對電阻率變化（FCR）對溫度的響應結果。試驗結果表明，對于第一次溫度循環(huán)，當溫度從室溫升高到70℃，傳感層相對電阻率FCR在45℃附近達到最大值1.82%；當溫度由70℃降至室溫時，傳感層的相對電阻率呈下降趨勢，這是由于在冷卻過程中聚合物基體體積的緩慢收縮致使導電填料接觸增多。在第一次溫度循環(huán)后，試樣的電阻率并沒有完全恢復到初始值，相對電阻率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程中的熱熔收縮致使復合材料內部導電網絡無法逆轉。對于第二次溫度循環(huán)，其變化趨勢與第一次循環(huán)過程類似，但整個循環(huán)過程的寬度變窄，該循環(huán)的相對電阻率滯后僅為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電阻率變化趨于穩(wěn)定。此后的三次溫度循環(huán)，相對電阻率變化FCR無明顯滯后，并且循環(huán)曲線細長。這意味著在溫度循環(huán)作用下，與特定溫度水平相對應的涂層傳感材料的電阻率變化值相對恒定。此外，可以注意到，第3~5次溫度循環(huán)作用下，在升溫-降溫過程中仍存在輕微的相對電阻率增加-降低現(xiàn)象，相對電阻率變化FCR最大范圍不超過2%。在溫度范圍為室溫~70℃的循環(huán)加載期間，該材料的相對電阻率變化最大范圍不超過6.4%。然而，在本節(jié)中更重要的發(fā)現(xiàn)是，通過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電阻率的變化FCR，這會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與溫度關系

鋼結構橋梁服役年限長，且暴露于較為復雜的氣候環(huán)境，這對于涂層傳感材料的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高的要求。通過封裝層材料的合理設計確保傳感器的耐久性。團隊自主設計了一種環(huán)境耐久試驗倉用來測量涂層傳感材料在大氣暴露環(huán)境下電性能隨時間的變化情況并觀察涂層表面腐蝕狀況，其戶外試驗布置如圖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試。長期測試結果表明，在外界惡劣環(huán)境下，其長期性能基本保持穩(wěn)定，可滿足實際橋梁運營要求。

（c）電阻和表觀長期觀測結果

圖 8 試件阻值試驗觀測統(tǒng)計

通過系列疲勞試驗驗證了涂層傳感器監(jiān)測疲勞裂紋的準確性和可靠性。在此基礎上通過試驗驗證了溫度變化對鋼結構基體疲勞裂紋監(jiān)測過程的影響問題。加載及測試系統(tǒng)如圖9（a）所示。該試驗在室溫、空氣環(huán)境中進行，采用紅外加熱板為試驗提供溫度干擾。將熱電阻固定在試件背部，由溫度采集卡同時采集涂層傳感器周圍環(huán)境溫度變化。溫度干擾與加載時間的關系如圖9（b）所示。變環(huán)境溫度下疲勞裂紋監(jiān)測試驗完成前后的試件涂層裂紋形貌如圖9（c）所示，可以看出整個試驗過程中，涂層與金屬基材保持了良好的隨附損傷特性，涂層沒有因為溫度干擾以及裂紋加載出現(xiàn)局部剝脫或者脫離基體的情況，裂紋未通過區(qū)域的涂層也沒有因為疲勞加載而造成開裂。

（a）加載及測試系統(tǒng)

（b）溫度干擾施加流程

（c）涂層傳感器輸入輸出信號布置及裂紋形貌

圖9 溫度與荷載環(huán)境干擾試驗

圖10展示了涂層傳感器在三個溫度干擾范圍內的輸出電位(OP)?？梢钥闯?，傳感器數(shù)據在放大后有一定波動，這是由于輸入信號波動、數(shù)據采集偏差和試件加載等因素造成。當循環(huán)加載到6分鐘，并且試樣表面沒有裂紋出現(xiàn)時，施加第一次溫度擾動，其最高溫度為83.7℃。通過第一次溫度干擾輸出信號細節(jié)放大圖（圖10 (a)）可以發(fā)現(xiàn)，測試點處的OP在升-降溫過程中有微小波動，波動值不超過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。當試件出現(xiàn)一定長度的明顯裂紋后，停止加載并在此期間施加第二次溫度干擾，以觀察溫度干擾對帶有裂紋的涂層傳感器是否具有顯著影響。此時，觀察到CPD為37.98mV，涂層傳感器表面裂紋長度為11mm，第二次溫度擾動最高溫度為62℃。通過第二次溫度干擾輸出信號細節(jié)放大圖（圖10 (b)），可以注意到，疲勞裂紋產生引起的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1.4 mV。這表明由裂紋產生和擴展引起的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波動不超過4.2 mV。此時，由循環(huán)溫度引起的OP最大變化不超過1.8 mV，顯著小于由裂紋擴展引起的變化。OP 1隨著裂紋的擴展而逐漸增加，OP 2逐漸下降，溫度變化并沒有對裂紋擴展過程中的電信號產生明顯干擾。如圖10 (c)所示。

圖10 溫度干擾范圍內輸出電位 (OP) 放大圖

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

針對疲勞微損傷檢查難、損傷演變全過程監(jiān)測難等問題，本團隊研發(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展過程中納米涂層傳感器電勢場理論模型，并搭建了基于涂層傳感器感知裂紋的智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過系列試驗，揭示了涂層材料的隨附損傷特性和隨裂紋擴展的電勢場演化機理，驗證了所提出的涂層傳感器感知裂紋萌生和擴展的有效性。研究結果表明，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)避疲勞開裂導致的結構安全風險提供了監(jiān)測檢測關鍵技術支撐，如圖11所示。

圖11 基于納米涂層的疲勞裂紋擴展感知與監(jiān)測技術

以此為基礎，進一步拓展其適用范圍，開展了不同復雜構造部位疲勞裂紋擴展萌生與監(jiān)測試驗，進一步驗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用與試驗驗證

本團隊設計了一種腐蝕監(jiān)測涂層傳感器，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，僅在涂層材料進行專門設計，通過涂層導電性能與腐蝕的相關關系實現(xiàn)對鋼結構表面腐蝕情況的實時監(jiān)測和預警。圖13展示了暴露在大氣環(huán)境下時，涂層材料中銅的腐蝕過程。

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) 技術探測涂層傳感器感應層的表面電阻率分布的變化，進而識別出潛在的腐蝕區(qū)域。通過對邊界電壓（電勢差）的測量和分析，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。為實現(xiàn)ERT技術在智能涂層傳感器上的實際應用，本團隊設計并構建一個完整的ERT系統(tǒng)，包括電極陣列的布置、對應激勵模式的激勵測量控制、數(shù)據采集系統(tǒng)的搭建以及圖像重建算法的開發(fā)，具體可以參考本團隊相關研究論文。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。

通過鹽霧腐蝕試驗來腐蝕涂層傳感器中所設計的暴露區(qū)域。鹽霧腐蝕試驗參照《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》中的相關方法，配制中性鹽霧腐蝕試驗溶液，并采用連續(xù)噴霧的方式進行試驗。經過鹽霧腐蝕箱加速腐蝕后，涂層試樣暴露區(qū)域中的導電填料被腐蝕并轉化為金屬化合物，形成鹽基膜覆蓋在涂層表面。涂層試件經過干燥后，整個涂層的電導率分布在腐蝕區(qū)域發(fā)生重大變化，腐蝕區(qū)域的電導率顯著降低甚至喪失導電性能。因此，利用ERT技術重建涂層的電導率分布圖像，并反向推斷實際的腐蝕區(qū)域。反演得到的電導率分布被繪制成云圖，為方便對比前后腐蝕圖像的電導率分布變化，將色標進行統(tǒng)一設置。由于涂層的實際電導率不能為負值，因此色標的最小值被設置為0，而反演得到的電導率的最大值被設置為色標的最大值，試驗結果如圖14所示。

圖14 試件腐蝕前、后電導率分布，及實際腐蝕樣貌（表面電導率單位：S）

從整體試驗結果來看，將ERT技術應用于涂層傳感器，進行腐蝕監(jiān)測時，對腐蝕區(qū)域分布位置、形狀特征、面積大小的識別均具有較高的可靠性，適用于對腐蝕起始期進行預警，以及對腐蝕發(fā)展期的監(jiān)測與評估。

針對復雜部位應變監(jiān)測，本團隊設計研發(fā)了柔性應變傳感器由絕緣層、傳感層和保護層組成。與前文所述在材料上保持一致，但配比有所變化。為了實現(xiàn)高精度的信號采集和輸出，傳感器的電路設計采用四電極法，其中恒定電流輸入傳感層，采集卡實時記錄輸出電壓的變化，實驗結果表明電壓信號的變化與傳感層所受的應變呈線性關系，驗證了該電路設計的可靠性，確保傳感器在不同電流輸入條件下具有高精度、低噪聲的信號輸出性能。最后，通過一系列初步加載試驗，驗證了傳感器的基本性能，如圖15所示。試驗結果如圖16所示，結果表明該傳感器在平面應變監(jiān)測中具有高靈敏度，并表現(xiàn)出良好的信號穩(wěn)定性和一致性，不受環(huán)境溫度和加載重復性的顯著影響。這部分研究不僅證明了傳感器設計與制備的可行性，還為后續(xù)試驗研究和實際工程應用奠定了堅實的基礎。

圖15 應變試驗測試

圖16 應變測試結果

圖 17 測點現(xiàn)場布置圖

兩典型測點的電勢差U12變化過程如圖18所示，圖中僅展示了70天的監(jiān)測數(shù)據。研究結果表明：（1）對于母材部位裂紋已擴展，已浸入涂層的初始裂紋長度從4mm擴展至15mm，擴展長度為11mm，涂層電勢差變化U12約為64mV，信號變化明顯；（2）因車輛荷載、環(huán)境溫度等導致的涂層電勢變化約為0.5mV，與裂紋擴展導致的電勢變化存在數(shù)量級差異，外界環(huán)境對涂層監(jiān)測裂紋擴展基本無干擾；（3）實際裂紋擴展測試值與理論值吻合良好；（4）裂紋方向監(jiān)測表明其從涂層左側擴展，與實際一致；（5）對于焊縫部位，實際觀測中裂紋未擴展，電勢信號波動幅值僅為0.15mV，其電勢信號受外界環(huán)境干擾影響極?。唬?）裂紋擴展過程中，涂層始終與鋼橋基體同時擴展且無起皮脫落等情況，涂層隨附損傷性較好?？傮w而言，該方法可有效監(jiān)測實際復雜服役環(huán)境中的疲勞裂紋擴展過程。

圖18 疲勞裂紋擴展監(jiān)測結果

針對危害在役疲勞服役安全的開裂、腐蝕等典型病害監(jiān)測難題，從迫切需求出發(fā)，多學科交叉協(xié)同，以納米涂層傳感新材料為切入點，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構，研制了適用于智能監(jiān)測的三維涂層傳感器及配套的傳感數(shù)據采集設備，實現(xiàn)了鋼橋病害的長期監(jiān)測，并將研究成果在腐蝕感知和應變監(jiān)測等應用領域進行了成功拓展，為鋼橋和其他材料橋梁的病害感知或監(jiān)測提供了成套技術解決方案。

（1）基于空氣噴涂式的納米涂層傳感器，實現(xiàn)了對微小裂紋的早期識別和裂紋擴展的高精度感知，三維隨形特征更是適用于任意三維復雜結構的裂紋監(jiān)測，監(jiān)測精度高，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”問題；

（2）結合電阻層析成像（ERT）技術的智能涂層傳感器則通過實時監(jiān)測涂層表面電阻率分布變化精準識別腐蝕區(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警和發(fā)展監(jiān)測提供了重要技術支持；

（3）壓阻式柔性復合材料涂層傳感器利用復合材料的壓阻效應監(jiān)測應變，具備高靈敏度和良好的重復性，尤其適應不規(guī)則表面和應變梯度較大的部位，其靈敏性能在傳感層結構優(yōu)化后得到了顯著提升。

本團隊在該領域已發(fā)布的部分相關研究成果：

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張清華，博士，教授，博導，西南交通大學鋼結構橋梁疲勞研究方向帶頭人和研究團隊負責人，四川省學術與技術帶頭人，中國鋼結構協(xié)會鋼結構杰出人才獎獲得者。兼任中國鋼結構協(xié)會橋梁鋼結構分會副理事長、中國鋼結構協(xié)會焊接與連接分會副理事長、中國鋼結構協(xié)會專家委員會專家委員、《中國公路學報》編委等。目前主要從事鋼橋服役性態(tài)和結構安全問題研究，在鋼橋智能建造和疲勞性能調控、疲勞失效機理與性能提升、結構性能智能監(jiān)測和感知等方面取得系統(tǒng)性研究成果。近年來主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金等課題100余項，研究成果在常泰過江通道、深中通道、港珠澳大橋等重大橋梁工程中得到成功應用。以第一完成人獲得四川省科技進步一等獎和中國鋼結構協(xié)會科技技術進步特等獎各1項，獲湖北省科技進步一等獎1項（排名2）、中國鋼結構協(xié)會科技技術進步一等獎（排名3），獲中國公路學會科學技術獎特等獎2項、一等獎1項，中國公路建設行業(yè)協(xié)會科學技術進步特等獎1項。發(fā)表論文150余篇；出版專著4部，參編規(guī)范2部，獲國家授權發(fā)明專利和軟件著作權20余項。

崔闖，男，博士/博士后，副教授、博導，四川省學術與技術帶頭人后備人選。兼任《中國公路學報》、《建筑鋼結構進展》、《市政技術》和《交通科學與工程》青年編委和《Sustainability》編委，中國鋼結構協(xié)會焊接與連接分會理事、秘書長等。主要從事鋼橋疲勞失效機制、性能評估和性態(tài)演化智能監(jiān)測檢測研究，主持國家自然科學基金面上項目和青年項目、國家重點研發(fā)計劃子課題、四川省科技計劃項目等17項。發(fā)表高水平學術論文68篇（第一/通訊52篇），授權發(fā)明專利15件和軟件著作權3項，主編專著1部，參編標準3部。研究成果在常泰過江通道、深中通道、港珠澳大橋等60余座重大橋梁工程中實現(xiàn)產業(yè)化應用。獲四川省科學技術進步一等獎1項（排名2）、中國鋼結構協(xié)會科學技術特等獎1項（排名2）、中國鋼結構協(xié)會科學技術一等獎1項（排名1）、湖北省科學技術進步一等獎1項（排名6）、華夏建設科學技術一等獎1項、中國鋼結構協(xié)會科學技術二等獎1項和中國公路學會科學技術二等獎1項。