Исследователи из Китая разработали новый датчик напряжения для слежения за безопасностью зданий и других сооружений.

Датчики напряжения позволяют отследить структурные изменения объектов, поэтому их можно использовать для определения даже незначительных нарушений целостности зданий после землетрясений, а также целостности корпусов автомобилей и летательных аппаратов.

Гуоцзя Фанг (Guojia Fang) с соавторами из Университета Вухань создали датчик из нановолокон полимеров – поли-3,4-этилендиокситиофена, полистиролсульфоната и поливинилового спирта (последний – в качестве связующего). Отдельные волокна вытягивали из смеси полимеров с помощью метода электропрядения, после чего отдельные волокна формовали, объединяя их в переплетенные жгуты.

Поместив датчик на палец одного из исследователей, его создатели смогли определить, как он реагирует на незначительное движение. Было обнаружено, что нановолокна проводят электричество, причем проводимость меняется в зависимости от механического напряжения, испытываемого материалом – при увеличении механического напряжения проводимость полимерной системы понижается.

Рис. 1. Исследователи протестировали новые датчики,
поместив их на палец и измеряя изменения в силе тока,
вызванные сгибанием и разгибанием пальца. (Рисунок из J.
Mater. Chem., 2011, DOI: 10.1039/c1jm14491j).

Природа изменения электропроводности заключается в том, что в результате приложения механического напряжения пленки, созданные из сплетенных жгутов полимера, распрямляются, что приводит к менее эффективному контакту проводящих электрический ток волокон электропроводных полимеров и увеличению электрического сопротивления. Увеличение сопротивления, в свою очередь, приводит к тому, что через датчик протекает ток меньшей силы; значение силы тока может быть измерено и использовано для определения интенсивности механического напряжения.

В настоящее время большая часть датчиков напряжения создается на основе неорганических пьезоэлектриков, инкапсулированных в полимерную оболочку. В таких системах полимер увеличивает гибкость устройства, однако, неорганическая «начинка» все равно не позволяет достичь гибкости, необходимой для точного определения незначительного механического напряжения, из-за чего такие неорганические датчики приходится делать достаточного большого размера. Для датчиков напряжения, изготовленных исключительно из полимерных материалов, можно достичь гораздо большей гибкости, и, следовательно, за счет этого миниатюризировать их.

Таким образом, результаты работы – датчик механического напряжения Фана на основе волокон поли-3,4-этилендиокситиофенаи полистиролсульфоната можно рассматривать как создание первого датчика механического, свойства которого позволяют использовать его и для обнаружения незначительных деформаций объектов.

Исследователи из группы Фана планируют улучшить электромеханические свойства новых композитных материалов для того, чтобы они смогли найти применение не только в системах мониторинга механической нагрузки, но и, например, в сенсорных устройствах для управления бытовой электроникой.