近日，國際期刊《ACS Applied Materials Interfaces》（應用材料界面，IF：9.229）在線發表了我校研究成果“High-Temperature and Flexible Piezoelectric Sensor for Lamb-Wave-Based Structural Health Monitoring”,理學院博士生張希媛和航空學院博士生汪玉為該論文共同一作，理學院楊浩教授、李偉偉研究員以及航空學院邱雷教授為通訊作者。

結構健康監測（SHM）作為一種在線實時超聲波測量手段廣泛應用于航空航天、交通運輸、石油化工、核電風電、土木工程等領域重要裝備的運維保障中。壓電傳感器如PZT、BaTiO₃等剛性陶瓷和基于Lamb波的結構健康監測方法因監測面積大、對小損傷靈敏度高、在線實時監測等優勢而得到了廣泛的研究和采用。針對飛行器而言，其結構尺寸大、表形狀複雜，商業壓電陶瓷的剛度、脆度、體積和重量為其結構健康監測帶來了很大的困難。另外，除了在室溫下進行飛行器的結構健康監測外，高溫服役環境下的結構健康監測也具有重要的意義。故而制備輕質、柔性、耐高溫的壓電傳感器成為在極端環境以及複雜結構表面進行結構健康監測的重點。

本工作使用脈沖激光沉積法制備自組裝垂直界面的BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica 複合柔性薄膜。與BaTiO₃單相薄膜不同的是複合薄膜中的第二相Sm₂O₃具有更大的彈性系數，并對BaTiO₃壓電相的晶格産生了明顯的拉伸應變，引起了晶格結構對稱性的降低，從而提升其壓電系數d₃₃（120-130pm/V）以及鐵電居裡溫度（487°C）。而雲母基底可以通過機械剝離達到15μm，實現在複雜結構表面自由彎曲的柔性壓電傳感器。

圖1 左圖：BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica傳感器示意圖；右圖：15μm厚柔性雲母基底的複合薄膜傳感器。

将BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica柔性壓電傳感器和PZT壓電陶瓷同時安裝在飛行器結構件上接收激發源激發的壓電信号，并通過比較損傷前後的Lamb波信号來判斷結構件的損傷情況。柔性薄膜傳感器對信号的接收及其準确度和靈敏度與陶瓷傳感器基本相同。

圖2 (a) Lamb波響應信号的測試裝置示意圖。(b) 25°C 時S₀模式的Lamb波信号，其中心頻率為350kHz。上圖：BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica傳感器；下圖：PZT壓電陶瓷傳感器。(c)上圖：BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica傳感器得到的損傷前後的Lamb波變化；下圖：PZT壓電陶瓷傳感器得到的損傷前後的Lamb波變化。

BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica傳感器可以替代剛性陶瓷PZT壓電傳感器用在飛行器的彎曲結構件上，接收Lamb波信号。并且在室溫到150°C範圍内都可以正常工作。

圖3 (a) 左圖：飛行器彎曲結構闆損傷檢測原理側視圖；右圖：飛行器彎曲結構闆損傷檢測原理俯視圖。(b)柔性BTO:Sm₂O₃/SRO/STO/mica壓電傳感器在S₀模式下Lamb波響應信号的幅值變化随溫度變化的衰減比。插圖是在150°C下測量的中心頻率為350 kHz的Lamb波響應信号的S₀模式。藍色的波表示健康信号，紅色的波表示受損後的信号。

參與本成果研究的還有美國Purdue大學汪海燕教授及其團隊成員高興堯，以及理學院樊濟宇副教授、吉彥達副教授和錢鳳嬌老師。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中國國家留學基金委、TAPP、江蘇省特聘教授項目、美國國家科學基金會的支持。

論文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c13704