近日，国际期刊《ACS Applied Materials Interfaces》（应用材料界面，IF：9.229）在线发表了我校研究成果“High-Temperature and Flexible Piezoelectric Sensor for Lamb-Wave-Based Structural Health Monitoring”,理学院博士生张希媛和航空学院博士生汪玉为该论文共同一作，理学院杨浩教授、李伟伟研究员以及航空学院邱雷教授为通讯作者。
结构健康监测（SHM）作为一种在线实时超声波测量手段广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、核电风电、土木工程等领域重要装备的运维保障中。压电传感器如PZT、BaTiO3等刚性陶瓷和基于Lamb波的结构健康监测方法因监测面积大、对小损伤灵敏度高、在线实时监测等优势而得到了广泛的研究和采用。针对飞行器而言，其结构尺寸大、表形状复杂，商业压电陶瓷的刚度、脆度、体积和重量为其结构健康监测带来了很大的困难。另外，除了在室温下进行飞行器的结构健康监测外，高温服役环境下的结构健康监测也具有重要的意义。故而制备轻质、柔性、耐高温的压电传感器成为在极端环境以及复杂结构表面进行结构健康监测的重点。
本工作使用脉冲激光沉积法制备自组装垂直界面的BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica 复合柔性薄膜。与BaTiO3单相薄膜不同的是复合薄膜中的第二相Sm2O3具有更大的弹性系数，并对BaTiO3压电相的晶格产生了明显的拉伸应变，引起了晶格结构对称性的降低，从而提升其压电系数d33（120-130pm/V）以及铁电居里温度（487°C）。而云母基底可以通过机械剥离达到15μm，实现在复杂结构表面自由弯曲的柔性压电传感器。
图1 左图：BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica传感器示意图；右图：15μm厚柔性云母基底的复合薄膜传感器。
将BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica柔性压电传感器和PZT压电陶瓷同时安装在飞行器结构件上接收激发源激发的压电信号，并通过比较损伤前后的Lamb波信号来判断结构件的损伤情况。柔性薄膜传感器对信号的接收及其准确度和灵敏度与陶瓷传感器基本相同。
图2 (a) Lamb波响应信号的测试装置示意图。(b) 25°C 时S0模式的Lamb波信号，其中心频率为350kHz。上图：BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica传感器；下图：PZT压电陶瓷传感器。(c)上图：BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica传感器得到的损伤前后的Lamb波变化；下图：PZT压电陶瓷传感器得到的损伤前后的Lamb波变化。
BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica传感器可以替代刚性陶瓷PZT压电传感器用在飞行器的弯曲结构件上，接收Lamb波信号。并且在室温到150°C范围内都可以正常工作。
图3 (a) 左图：飞行器弯曲结构板损伤检测原理侧视图；右图：飞行器弯曲结构板损伤检测原理俯视图。(b)柔性BTO:Sm2O3/SRO/STO/mica压电传感器在S0模式下Lamb波响应信号的幅值变化随温度变化的衰减比。插图是在150°C下测量的中心频率为350 kHz的Lamb波响应信号的S0模式。蓝色的波表示健康信号，红色的波表示受损后的信号。
参与本成果研究的还有美国Purdue大学汪海燕教授及其团队成员高兴尧，以及理学院樊济宇副教授、吉彦达副教授和钱凤娇老师。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国国家留学基金委、TAPP、江苏省特聘教授项目、美国国家科学基金会的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c13704
