柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴，属于高分子材料与传感器领域。将氢键给体原液与氢键受体以及去离子水、过硫酸铵溶液混合，然后制备成凝胶或检测贴。利用其柔性与自粘性可以牢固贴敷于形状各异、材制不同的样品表面，将样品应变分布传导到检测贴内部。同时，检测贴的自修复特性使其在被切断后可自发愈合并行使正常检测功能。本检测贴可实现15％
【技术实现步骤摘要】
柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴
[0001]本专利技术涉及一种应变响应变色水凝胶的制备方法，以及利用该水凝胶制成柔性自粘自修复应变检测贴进行材料应力应变分布裸眼实时检测的方法。本专利技术属于高分子材料与传感器领域。
技术介绍
[0002]材料的应力应变行为是影响材料服役性能与失效方式的重要参数。例如，根据材料在不同载荷下的应变变化可以确定材料的弹性、屈服强度、能承受的最大应力等。对于非匀质材料，通过研究应力应变的特征分布与局部集中，可以预测材料的机械失效行为。故此，开发应力应变的有效检测手段是对整个材料科学领域具有重大价值的课题与方向。
[0003]目前材料的应力应变检测主要依靠应力应变传感器。应力应变传感器是一类能够将应力或应变定量转化为可读物理信号，如电流、电阻、光强等，并有效显示的仪器。万能试验机是一种最常用的应力应变传感器，可通过电信号实时输出材料拉伸、弯曲、压缩等过程中的力与位移关系，广泛用于各类材料体系的表征。然而，万能试验机对试样的几何形状与尺寸有严格要求，同时仪器自身较为昂贵、结构庞大，难以应用于不规则样品或在实验室外使用，给应力应变的检测带来了诸多限制。
[0004]近年来，研究者们开发了一系列更加简便高效的应力应变检测技术。其中，碳基材料传感器把碳纳米管或石墨烯等导电的碳纳米物质加入到柔性基底中，利用其变形过程中导电率变化来进行应变测量；将金属导线沉积到柔性基底上，利用基底拉伸过程中金属导电率的变化也可以实现实时应变检测。导电高分子材料也被大量应用于应力应变传感器的开发，如以离子凝胶为基础的电阻型应变传感器等。
[0005]尽管上述方法取得了一定的成功，但仍存在系列技术局限。首先，以上传感器的制备均需要经历较为复杂的工艺流程，工业生产成本与难度较高；其次，以上传感器自身均无法直接显示应力应变，需要添加额外的信号读取装置，不利于野外现场测量；最关键的是，这些传感器仅能输出单一的标量信号(电流、阻抗等)，难以对待测样品内部的复杂应力应变分布进行精确分辨，无法满足对材料性能表征研究的需求。
技术实现思路
[0006]针对上述技术需求与研究瓶颈，本申请的专利技术人开发了一种柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴。以一种应变响应变色水凝胶为基础，实现在外加载荷下的材料快速可逆形变与变色。将这一材料制成膏药型检测贴，利用其柔性与自粘性可以牢固贴敷于形状各异、材制不同的样品表面，将样品应变分布传导到检测贴内部。同时，检测贴的自修复特性使其在被切断后可自发愈合并行使正常检测功能。研究表明本检测贴可实现15％
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145％的大范围应变检测，最大透光率变化可达82％，并可通过简单算法将应变进一步转化为应力数据输出；最快检测响应时间<0.2s，在多次循环载荷下仍保持稳定的检测能力；信号输出可用肉眼观测，可在百微米量级上直接分辨应力应变的空间分布，无需额外读取装置。本发
明创造性地解决了当前应力应变检测的系列技术瓶颈，有望在材料基础研究、损伤诊断、材料失效风险预测等众多领域发挥巨大作用。
[0007]本专利技术提出了一种应变响应变色水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)配置氢键给体原液：将氢键给体溶于去离子水形成原液，原液的质量浓度应依据材料所需求的性能调整，通常原液的质量浓度为25％
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50％。可用于配制应变响应变色水凝胶的氢键给体选自丙烯酸(AAc)与甲基丙烯酸(MAAc)。
[0009](2)按照一定比例混合反应物：将氢键给体原液与氢键受体以及去离子水、过硫酸铵溶液混合，混合比例应依据材料所需求的变色行为与机械性能调整；最终混合液中氢键给体与受体的摩尔比范围为25:1
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4:1。
[0010]可用于配制应变响应变色水凝胶的氢键受体选自乙二胺(EDA)、四甲基乙二胺(TEMED)、N,N,N
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,N
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四乙基乙二胺(TEEED)、二乙烯三胺(DETA)、五乙烯六胺(PEHA)、N,N,N
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,N
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四乙基二乙烯三胺(TEDETA)、五甲基二乙烯三胺(PMDETA)、1,1,4,7,10,10
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六甲基三亚乙基四胺(HMTETA)。
[0011](3)静置：将反应混合液置于密闭容器中待其固化；根据配方的不同，固化时间将有较大变化，一般在5min
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1d之间。固化后即形成应变响应变色水凝胶。
[0012]应变响应变色水凝胶的变色原理如下：
[0013]以上述方法配制的水凝胶中分子间形成的多齿氢键将疏水基团间的平均距离拉近到一个接近产生疏水自组装的水平。当材料发生应变时，疏水基团进行自组装，形成亚微米
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微米级别的颗粒状疏水相，未产生颗粒状疏水相时水凝胶为匀质结构，不产生光散射，肉眼观察下为透明状胶体；产生颗粒状疏水相后发生光散射，肉眼观察下为白色胶体(图1)。
[0014]本专利技术还提出了一种利用应变响应变色水凝胶制备柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴的方法，包括如下步骤：
[0015](A)按上述应变响应变色水凝胶的制备方法的步骤(1)和步骤(2)配制混合反应物，将其倒入具有板状凹槽的模具中，加盖静置；凹槽的尺寸决定了检测贴的平面尺寸与厚度；凹槽与盖应选择不沾性材质，如特氟龙，表面氟硅烷化的玻璃等。
[0016](B)待反应液固化后将其与模具分离，贴合在需要检测的试样表面，并用盖板按压1分钟，使检测贴与样品充分接触粘合，随后移除盖板即可开始检测(图2)。
[0017]本专利技术还提出了一种利用柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴定量化表征应力应变的方法，包括如下步骤：
[0018](1)利用拉伸设备记录变色水凝胶或应变检测贴应变变化，同时用相机拍摄不同应变下的变色水凝胶或应变检测贴照片；
[0019](2)用图形处理软件获取不同应变下照片中应变变色水凝胶或应变检测贴区域的相对亮度变化，即B
a
/B0；其中B
a
为特定应变下变色水凝胶或应变检测贴区域的亮度，B0为初始未拉伸状态下变色水凝胶或应变检测贴区域的亮度；将B
a
/B0值与对应的应变做图，得到相对亮度
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应变校准曲线；
[0020](3)将变色水凝胶或应变检测贴贴于待测样品上，可以裸眼观测到应变分布，然后拍照测量待测样品上变色水凝胶或应变检测贴的相对亮度，根据步骤(2)相对亮度
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应变校准曲线可以检测贴内不同部位的具体应变量即应变定量化；
[0021](4)利用万能试验机获得待测样品组成材料的应力应变曲线；由于变色水凝胶或应变检测贴与被测样品紧密贴合，故变色水凝胶或应变检测贴中应变分布与材料应变分布相等；故可根据步骤(3)应变定量化与上述材料应力应变曲线中的应变相对应，得到对应的应力，即最终得到待测样品材料具体不同部位的不同应力，即应力分布定量化。
[0022本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种应变响应变色水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配置氢键给体原液：将氢键给体溶于去离子水形成原液，原液的质量浓度应依据材料所需求的性能调整，通常原液的质量浓度为25％
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50％。可用于配制应变响应变色水凝胶的氢键给体选自丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸(MAAc)；(2)按照一定比例混合反应物：将氢键给体原液与氢键受体以及去离子水、过硫酸铵溶液混合，混合比例应依据材料所需求的变色行为与机械性能调整。最终混合液中氢键给体与受体的摩尔比范围为25:1
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4:1；氢键受体选自乙二胺(EDA)、四甲基乙二胺(TEMED)、N,N,N
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,N
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四乙基乙二胺(TEEED)、二乙烯三胺(DETA)、五乙烯六胺(PEHA)、N,N,N
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四乙基二乙烯三胺(TEDETA)、五甲基二乙烯三胺(PMDETA)、1,1,4,7,10,10
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六甲基三亚乙基四胺(HMTETA)；(3)静置：将反应混合液置于密闭容器中待其固化。根据配方的不同，固化时间将有较大变化，一般在5min
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1d之间。固化后即形成应变响应变色水凝胶。2.一种利用应变响应变色水凝胶制备柔性自粘自修复裸眼应力应变检测贴的方法，包括如下步骤：(A)按照权利要求1一种应变响应变色水凝胶的制备方法的步骤(1)和步骤(2)配制混合反应物，将其倒入具有板状凹槽的模具中，加盖静置；凹槽的尺寸决定了检测贴的平面尺寸与厚度；凹槽与盖应选择不沾性材质；(B)待反应液固化后将其与模具分离，贴合在需要检测的试样表面，并用盖板按压1分钟，使检测贴与样品充分接触粘合，随后移除盖板即可开始检测。3.权利要求1或2得到的应变...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵治，宋晓艳，王海滨，周羽洁，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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