[科普中国]-压力敏感涂料技术

背景

二十世纪80年代之前，人们通过传统的植人传感器或阵列传感器的方式进行飞行器、叶轮机械流场研究，存在着安装困难、测量范围有限、损害流面连续性，改变和干扰流场特性等缺点。二十世纪后期，生物化学、光学、信息技术和图形图像处理技术等学科的重大进展，推动了一种概念全新的先进压力测量技术，即压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，PSP)技术。这是无插人式表面全域压力分布光学测量技术，以压力敏感材料为涂料覆盖于测量表面，以激光或紫外线灯为激发光源，诱导涂料发出荧光或磷光，利用空气介质中的氧分子对压力敏感材料发光的“猝熄”作用，通过CCD相机(CCD camera)将实验物体表面涂层荧光或磷光强度变化转换为伪彩色图像，应用计算机图形处理技术获取表面压力分布状况。其优点就在于可探测范围广、成本较低、准备时间短，较好地解决了传统检测技术引起的流场干扰问题，在航空航天、叶轮机械和汽车制造等领域具有极广的应用前景。1

PSP技术基本原理压力敏感涂料(PSP)就是以压力敏感材料分子为主体，选用易于氧分子渗透的胶合体为粘接剂，具有光致发光和氧“碎熄”特性的可牢固附着于实验物体表面的混合物。作为涂料主体的PSP分子有磷光和荧光两大类，其光致发光机理如图所示。受到所需的电磁辐射或光照射后，经过一系列复杂过程才能使分子的电子能态回到基态。这种衰减过程一般可分为3种类型:(1)不向外辐射能量的衰减(b)即所吸收的能量以无规则热运动形式传向周围介质，这种衰减广泛存在于一电子能级较高的状态如S1,S2和T,c(2)位于较高能级的分子通过化合价电子配对和分子振动弛豫降低能级(c);(3)向外辐射能量的衰减即通过发出荧光(d)或磷光(g)降低电子能级。对于第3种类型，当有外部分子渗透或扩散进人涂料时，通过碰撞传递能量，降低PSP分子发光强度，出现所谓的“猝熄"(e)现象。由图可知，PSP分子发出荧光时所处的能态要比发出磷光时的能态高，这两种光致发光现象不仅在于光谱特性的不同，而且反映在时间尺度、“猝熄”敏感度和温度敏感度等特性的差异。一般而言，荧光材料的时间尺度为 ，而磷光材料的时间尺度为 ;磷光材料的“碎熄”效果比荧光材料的高，其压力敏感度和温度敏感度也高于荧光材料。

PSP系统分为涂料应用、灯光和图像获取、图像处理等子系统，有一套严格的操作程字。喷涂PSP之前在实验模型表面覆盖防氧渗透和扩散的底漆，喷涂后需保存于暗室内。由于温度会影响氧分子在涂料中的渗透或扩散速度，从而彩响发光强度，理论上涂料工作温度为常数的假定，不能满足实际情况，需要引人温度敏感涂料（Temperature Sensitive Paint,TSP）进行修正。另外，为获得三维图像，还需对对实验模型表面进行标定，也可解决物体变形等问题，有助于改善图像质量，提高分辨率。

PSP技术发展状况早在1930年空气中氧气影响某些特殊物质发光强度的现象已被发现。1980年Peterson和Fitzgerald首次应用这种现象来检测压力，当时荧光类PSP的氧敏感度和渗透性都很差，实验意义没能得到应有的重视。

20世纪80年代中期，俄罗斯莫斯科中央空气动力学研究院(TsAGI)与莫斯科大学率先共同开发了实用的PSP技术，并与意大利IN TECO公司联合开发出商用PSP，之后，研究院专门成立了OPTROD公司，从事PSP的研发和应用，先后与美国、欧洲共同开展PSP技术应用的合作研究和交流。欧洲的各研究机构如德国的DLR研究院、法国的ONERA、英国的航空宇航委员会瑞典的O德技术研究院、意大利宇航研究中心、瑞士的RUAG Aerospace都相继开展了PSP及其应用的相关研究，意大利INTECO公司、意大利那不勒斯第二大学、欧洲空中客车公司研究机构也开展了这方面的研究和应用。

生物化学、信息技术和图像处理技术位于世界领先地位的美国在PsP技术上发展得十分成熟，应用成果也很丰富。二十世纪so年代后期，美国国家航空和宇宙航行局的埃姆斯研究中心(ARC,NASA)与华盛顿大学(UW)在美国率先应用PSP技术。之后，其他研究机构和大学如赖实验室、美国国家航空和宇宙航行局的刘易斯研究中心〔LeRC , NASA )、兰利研究中心(LaRC,NASA)、格伦研究中心(GRC,NASA)和拍杜大学(Purdue University)、佛罗里达大学(University of Florida)以及麦道公司(McDonnellDouglas Aerospace )、洛克希德马T公司(Lockheed Martin Aerospace ) , ISSI公司(InnovativeScientific Solutions,Inc.)等相继开展了PSP技术的研发和应用工作。美国军方也十分重视PSP技术的应用，美空军宇航试验中心(Aerospace Testing Alliance)、阿诺德工程发展中心(AEDC)和空军实验研究室(Air Force Research Laboratory)以及美海军研究生学院(Naval Postgraduate School)也开展了应用研究。目前，国家航空和宇宙航行局的埃姆斯研究中心专门从事软件和双氧敏感分子研究，格伦研究中心专项开展PSP寿命期成像及其非常规应用研究，兰利研究中心主要负责研究涂料化学性质，开发涂料种类，越来越多的美国大学也参与到PSP及其应用技术的研究中，国内合作和国际交流十分频繁。美国重要发展研究计划如“高循环疲劳(HCF )",“高速民用运输机( HSCT)"}“先进亚音速技术(AST)”和“高性能涡轮发动机综合技术((IHPTET)”等不同程度地应用了PSP技术。

在亚洲，日本、韩国和印度开展了PSP的开发和应用研究。日本国家宇航实验室、空间与宇航研究院和东京大学的研究成果引人注目。韩国科学技术高等学院进行了提高全域压力图像质量方面的研究，印度国家宇航实验室引进德国DLR研究院的涂料和测量系统，利用其1. 2 m大型跨音速风洞对翼一身模型进行了实验。

未来展望PSP技术是涉及生物化学、光学、信息技术多种学科的综合性应用技术，已广泛应用于航空航天、动力能源、汽车制造等领域。但应看到，该技术还存在着诸如对涂料和仪器设备性能要求高，校正过程复杂，图像捕获与处理要求高等不足。也应看到，随着基础学科的不断发展和学科间不断的交融汇合，该技术也将不断地吸收新的成份向前发展，其应用范围和领域也将进一步得以拓展。

（1）涂料种类向多样化、集成化和无机化方向发展。过去十年间，涂料从荧光类物质发展到磷光类物质，推动PSP技术从外流应用进入内流应用，胶合剂从有机到无机，凝胶与溶胶的复合，提高了涂料性能。目前，新型的双发光体涂料(Biluminophor PSP)已进人应用阶段，该涂料是将受激后发光强度随时间变化相近的压力敏感涂料和温度敏感涂料的混合物，可省去常规涂料对温度的校正过程，具有较清晰度和分辨率;为适应较大压力和温度梯度变化的实验测量，两种压力/温度适应范围总体不同且局部相同的涂料混合物也已投人应用，其兼有这两种涂料各自优点，而适用范围更广;以阳极化金属离子为胶合剂的涂料以其优越的时间响应特性越来越受到关注和重视。

（2）多种手段和技术的综合运用已成为最佳而有效的解决方案。PSP技术由最初的光学强度分辨实验表面全域压力分布，到随后的依据涂料时间响应特性和表面发光强度辨别压力分布，分辨准确性和精确程度明显提高。随着徐料应用范围的不断拓宽和研究内容的多样化，各种有效的方法和手段不断地被吸收和整合，推动PSP技术呈多样化发展。从实验的角度来看，单一的实验测量技术和手段具有其固有的缺陷，已经难于满足人类对研究领域的好奇心。为此，多种测量技术和测量手段的综合应用，是人们现在和未来探究未知领域，检验科学理论的试金石。 （3）仪器设备小型化，辅助设备多样化将拓展PSP技术的应用空间。目前，PSP技术在叶轮机械的应用主要是结构和空间方面的困难带来的。为解决这种困难，要实现仪器设备的小型化，同时还要研究和发展有助于开展实验研究的辅助设备如光纤传导设备、显微设备等，使得该技术从对静子和I级转子叶片的实验测量发展至对全部叶轮机械部件的实验测量。2