基于分子发光原理的光弹性涂层测量方法

为有效解决光弹性贴片法在实验应力分析中存在的费时（需要预先制作贴片）、基底加强效应和复杂的数据处理过程（需要多条纹计数和位相去包裹）等实际问题，本项目提出在涂层构成中添加选定荧光染料，并应用喷涂与紫外固化设备直接在测试构件表面制作发光光弹性涂层的新的测试理论和实验技术。本课题研究主要涉及：荧光染料筛选及其在涂层中的配比、荧光信号中的应变（应力）信息提取、涂层厚度的荧光测试技术、新的应变（应力）分离方法；另外，为降低涂层中的荧光材料颗粒所产生的光散射影响，还对采用核壳结构的荧光纳米粒子取代荧光材料颗粒的可行性进行一些初步研究。本项目研究涉及力学、光学、材料、计算机和图像处理等多个学科的相互交叉和渗透，在基本理论和实验技术的应用方面吸收和借鉴了多个学科的最新研究成果。本项目无论是在理论上，还是在技术上都具有原创性，项目的实施具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目针对发光光弹性涂层方法实际应用中已有的两种涂层结构（由含有荧光染料的发光底层和光弹性外层组成的双涂层结构；光弹性涂层内既含有发光染料又含有吸收染料的单涂层结构）信号强度小、信噪比低的局限性，首次提出了在发光光弹性涂层方法中，采用只含有发光染料的新的单涂层结构。并主要以环氧树脂为光弹性材料，邻苯二甲酸二丁脂为增塑剂，二乙烯三胺为固化剂，罗丹明B为荧光染料制作的新的单涂层结构开展了如下方面的工作：(1) 基于光弹性理论以及光致发光原理，完成了对平面应力状态下新单涂层结构的理论研究，并以径向压缩圆盘为例进行了初步的实验验证；(2) 通过制作新、旧两种不同结构的发光光弹性涂层，在Cary Eclipse型荧光分光光度计上对两种结构涂层进行荧光光谱测试。实验验证了新涂层结构在提高测量信号强度方面的有效性；(3) 通过制作厚度相同、但发光染料配比不同的新单涂层结构发光光弹性涂层，实验研究了新单涂层结构发光光弹性涂层中发光染料的配比及涂层应用时发射波长的选择对测量结果的影响；(4) 为了修正采用喷涂或刷涂方法直接在测量构件表面制作涂层时，构件表面发光光弹性涂层厚度分布的不均匀性对测量结果的影响，提出基于建立厚度与强度标准曲线的全场、实时厚度测量方法，并且进行了实验验证；(5) 提出一种基于发光光弹性涂层光学菲涅尔响应的折射率测量方法，实验结果为发光光弹性涂层方法采用斜射法应变分离时，为了从耦合的总光学响应中获取只与涂层应变相关的光学响应，以便应用于主应变分离奠定了基础；(6) 对新发光光弹性涂层结构在激发光波斜入射时，涂层应变相关光学响应的提取及主应变分离方法进行了理论研究，并通过对信噪比的理论分析，确定了新涂层结构斜入射应变分离时的最优入射角。同时对新发光光弹性涂层结构采用斜入射应变分离时，为消除涂层总光学响应中应变无关的光学菲涅尔响应，以便简化应变分离步骤，首次提出了小入射角的主应变分离方法，并对其可行性进行了理论分析。