Full Text

Многие современные датчики физико-механичес- ких величин основаны на эффекте люминесценции чув- ствительных элементов – люминофоров, при этом в зависимости от характера возбуждения материала люминесценция имеет различные типы: механолюми- несценция (ML) – светоотдача под действием механи- ческой нагрузки, давления, трения; фотолюминесценция (FL) – под действием света; электролюминесценция – при прохождении электрического тока, хемилюминес- ценция – под действием энергии химических реакций и другие [1–8]. В датчиках на основе ML-эффекта – све- тоотдачи при механическом воздействии, люминесцен- ция проявляется в силу различных физических явлений, в частности, в результате пластических деформаций чувствительного элемента [9–12] или в результате элек- троупругого взаимодействия пьезоэлектрических и электролюминесцентных элементов структуры ком- позитных материалов [13; 14]. Для визуализации и мо- ниторинга динамической вибрационной нагрузки в датчике [14] ML-эффект проявляется как результат взаимодействия пьезоэлектрического и электролюми- несцентного эффектов для различных элементов струк- туры и, как результат, информативная интенсивность свечения люминофора датчика зависит от величины и частоты вибрации. По сравнению с датчиками, осно- ванными на электрических принципах, такими как пье- зоэлектрические [15–23], пьезорезистивные, емкостные и трибоэлектрические [24], в частности, тактильные оптические датчики на основе ML-материалов являются автономными и невосприимчивыми к электромагнит- ным помехам, паразитным емкостям, тепловым шуму и сложности соединения проводов, связанным с элек- трическими устройствами, а также обеспечивают воз- можность визуального дистанционного измерения дав- ления в реальном времени [25]. В настоящее время ин- тенсивно разрабатываются технологии создания люминесцентных волоконно-оптических световодов [26–30] и на их основе датчиков [31–34] температурных и силовых полей. Люминесцентные волоконно- оптические световоды используют в лазерной технике [35; 36], при этом современные технологии синтеза до- пускают возможность регулирования размера наноча- стиц и равномерного распределения их по объему све- товода. В работах [37–39] исследованы инфракрасные спектры люминесценции и оптических потерь таких световодов. Исследование люминесценции световодов с сердцевиной из фосфорогерманосиликатного стекла, легированного висмутом, дано в [40]. В работе [41] рас- смотрены наноструктурированные оболочки из наноча- стиц золота и флуоресцентного красителя на сфериче- ских частицах из диоксида кремния и полистирола раз- личного диаметра, синтезированные методом послойной адсорбции. Люминесцентный оптоволокон- ный датчик [42] для измерения температуры (с быстрым откликом и высокой чувствительностью) основан на преобразовании ультрафиолетового излучения в фото- люминесцентный сигнал видимого диапазона посредст- вом легирующих термочувствительных нанокристаллов с учетом известной зависимости интенсивности их фо- толюминесценции от температуры. Люминесцентные световоды исследовались также в [43; 44]. Открытие упругомеханолюминесцентных (EML) материалов: ZnS:Mn2 (желтый) [45] и SrAl2O4:Eu2 (зеле- ный) [46] вызвало значительный рост числа исследова- ний по упругой (неразрушающей) деформации ML- материалов и их применению [47]. Упругомеханолю- минесцентные материалы в сравнении с известными ML имеют многочисленные преимущества, такие как восстанавливаемость (стабильность) рабочих характе- ристик, интенсивная яркость и линейная зависимость между интенсивностью света и давлением, что обу- словливает широкое использование EML-материалов в качестве чувствительных элементов в оптических сис- темах мониторинга в реальном времени напряженного состояния и обнаружения повреждений в конструкциях, мониторинга состояния здоровья человека [48–53]. Наиболее перспективные EML-материалы основаны на пьезоэлектрических материалах, таких как ZnS, CaZnOS, (Ba, Ca)TiO3 [45; 54–56]. Значительное повы- шение интенсивности красной EML наблюдалось в пье- зоэлектрических полупроводниковых люминофорах посредством дополнительного легирования их ионами Nd3. В [57] исследованы пьезолюминесцентные наноча- стицы – квантовые точки ZnS:Mn со средним размером зерен от 4,2 до 7,2 нм в виде пьезоэлектрика (ZnS), ле- гированного электролюминесцентными атомами (Mn). Сенсорные устройства с использованием частиц ZnS:Mn разрабатывались таким образом, что включали в себя устройство и экспериментальные исследования характеристик индикаторного полимерного покрытия (датчика давления) с использованием внутреннего слоя из частиц ZnS:Mn как для одноточечной динамической регистрации давления, так и для двумерного планарно- го отображения (визуализации) давления в диапазоне 0,6–50 МПа без внешнего источника питания (в частно- сти в [58]). Здесь пьезолюминесцентный эффект реали- зуется в результате пьезопотенциального индуцирован- ного излучения света от легирующего элемента (Mn), так как при механической нагрузке возникающее в ZnS электрическое поле возбуждает легирующие ионы (Mn2+) и при возвращении возбужденного иона (Mn2+) в исходное состояние излучается фотон в виде видимо- го света желтого цвета. Экспериментально выявлено быстрое время отклика (менее 10 мс), высокое про- странственное разрешение (100 мкм), стабильность лю- минесцентных характеристик после тысяч циклов ис- пытаний, что делает перспективным применение таких устройств при тактильной визуализации давления в ре- альном времени, использование в интеллектуальных сенсорных сетях, системах безопасности и человеко- машинных интерфейсах. Возможность изготовления и применения капсули- рованных по типу «ядро/оболочка» фотолюминесцент- ных сферических частиц исследована в [59; 60], в част- ности, когда ядро – фотолюминесцентный сульфидный люминофор с красным спектром свечения, а капсула – термически и химически инертная оксисульфидная оболочка [59], которая защищает ядро от негативного влияния УФ (преобразуя его в оранжевый и красный спектры светоотдачи) и обеспечивает стабильность ха- рактеристик ядра. Такие фотолюминесцентные капсу- лированные частицы с двойным красным излучением авторы [59] рекомендуют использовать в качестве спек- трального преобразования для культивирования расте- ний. В [60] исследованы механолюминесцентные капсулированные наночастицы, в которых оболочка обеспечивает значительное увеличение механолюми- несценции и дает возможность создания механолюми- несцентных капсулированных частиц с настраиваемыми свойствами люминесценции, такими как цвет, интен- сивность и мультистимуляционный отклик, посредст- вом корректировки компонентов, толщин, количества и возможных перестановок слоев многослойной обо- лочки (капсулы). Отмечена актуальность изучения ме- ханизмов механолюминесценции, морфологии, анизо- тропии, в частности, предпочтительной пьезоэлектри- ческой ориентации наноматериалов и динамических особенностей их свойств. Технология синтеза капсули- рованных люминесцентных наночастиц описана в [60; 61], в большинстве случаев ML-частицы смешиваются с полимерной матрицей (PDMS, Ecoflex, смола и т.д.) с образованием полимерного композиционного ML- материала. Разработана математическая модель функциониро- вания встраиваемого оптоволоконного механо(упру- го)фотолюминесцентного (EML) датчика [62] сложного напряженно-деформированного состояния для монито- ринга вибраций полимерных композитных конструк- ций. Исследование основано на схеме функционирова- ния известного оптоволоконного пьезоэлектролюми- несцентного (PEL) датчика [20; 21] такого же назначения, в котором механолюминесцентный эффект возникает в результате взаимодействия пьезоэлектриче- ских и электролюминесцентных элементов, при этом в новой конструкции EML-датчика использован управ- ляющий световой поток (вместо управляющего элек- трического напряжения на протяженных электродах PEL-датчика), что дает существенные преимущества, в частности, невосприимчивость к электромагнитным

About the authors

A. A Pan’kov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 209

PDF (Russian) - 125