基于量子点发光性能的微裂纹监测研究

Crack propagation is the key factor leading to the fracture of components. Complex working conditions accelerate the propagation. Since the random nature of cracks growth rates and orientation, the propagation behavior can hardly be precisely predicted based on current fracture mechanics. Moreover, the present monitoring methods used in lab and engineering are restricted by their limited accuracy and timeliness. The fracture control thus remains as a grand challenge in structural integrity. In this proposal, a new method for monitoring the stress distribution and microcrack propagation is proposed based on quantum dots luminescence change. As a non-contact micro crack real-time detection method, the reliability will be verified by numerical simulation and replica experiments. Meanwhile, based on the in-situ tension in SEM, luminescence fiber detector, and luminescence microscope, the mechanism of stress induced luminescence will be analyzed. And the appearance, quantization, and fracture process of micro cracks will be characterized. A visual stress distributions image system will be developed to characterize the dynamic stress distribution state. As a result, a build-up of effective micro crack monitoring system will be constructed to allow an accurate prediction of structure service life.

裂纹是导致构件断裂失效的主要原因，复杂工况加速了裂纹的扩展。由于裂纹扩展的速率和方向随机性强，目前的断裂力学理论往往无法精确事先预知，而工程和实验中使用的监测方法又难以满足测量精度和实时性的要求，因此断裂控制仍然是结构完整性中的难点问题。本课题提出利用量子点荧光强度变化考察应力分布状态和微裂纹扩展的手段，旨在建立一种非接触式微裂纹实时测量方法，并通过数学模拟和覆膜实验进行可靠性验证；基于原位拉伸SEM观测、荧光光纤探头和荧光显微成像等分析手段，研究荧光应力发光机理，观测裂纹的出现并进行定量考察，追踪疲劳断裂过程, 建立应力分布图像可视化系统，实现动态应力状态分布的表征。该研究结果对于创新高效检测微裂纹方法,实现多种材料与设备寿命的准确预测具有重要的理论意义和工程应用价值。

构件失效通常是导致设备无法正常运转的主要原因，主要表现为应力分布不均与裂纹扩展，设备的应力应变检测以及裂纹扩展监测一直是工程领域面临的重大问题。目前工程和实验中使用的监测方法难以满足测量精度和实时性的要求。而量子点作为一种纳米半导体材料，具有独特的荧光性能，在受力状态下存在明显荧光响应。本课题基于荧光量子点开展应力应变和微裂纹扩展监测的研究，建立了金属裂纹扩展检测方法和机理分析，对涂覆量子点环氧树脂膜的金属紧凑拉伸试样进行疲劳拉伸，实现动态可视化追踪裂纹扩展，并发现膜裂纹区域的荧光强度高于非裂纹区域，获得了宽度为1-100 μm的裂纹检测的适用范围及薄膜裂纹形成的过程，实现了灵敏度为1 μm、精度为0.1 μm的裂纹尖端检测，并提出控制薄膜厚度可更好地描述裂纹尖端形态。在原位疲劳拉伸的实验过程中，实现了荧光量子点原位观测金属裂纹，这种对于裂纹的实时在线监测方法可以适用于较广的工况下，具有一定的普适性。通过Abaqus模拟和量子点环氧树脂覆膜实验进行可靠性验证，考察薄膜和金属应力应变分布以及裂纹同步性扩展规律，薄膜和基底的应力分布不一致，为了能够获得较好的荧光强度变化，应当适当减少薄膜厚度。利用SEM、光纤光谱仪、荧光共聚焦显微镜等表征手段，考察量子点粉末、量子点氯仿溶液以及量子点环氧树脂复合材料在不同湿度、温度、激发光强及气体介质下荧光性能变化，揭示量子点在紫外激发下的荧光漂移机理。并将荧光量子点应用于检测脆性材料的表面损伤和亚表面损伤，结合荧光共聚焦显微镜和ImageJ实现了样品亚表面损伤深度的定量精确测量，以及表面粗糙度和亚表面损伤深度的同时测量。