設(shè)計結(jié)構(gòu)自動反饋復(fù)合材料的另一種可行方法是用機械敏感分子（機械載體）使聚合物或纖維功能化，從而改變其光學(xué)性質(zhì)。Brun等人通過在樹脂/纖維界面添加黃色熒光蛋白（參見圖9）。通過該技術(shù)進(jìn)行自動反饋與微膠囊相比，顯著優(yōu)勢是其在分子水平上評估損傷，使其成為FRP復(fù)合材料納米級損傷分析技術(shù)。

圖9：Brun等人通過在樹脂/纖維界面添加黃色熒光蛋白

最近由Shre等人使用螺吡喃（Spiropyran）作為自動反饋功能添加劑。材料損傷時將無色無熒光的螺吡喃轉(zhuǎn)化為高度著色的熒光花青。觀察到用螺吡喃可以從黃色變?yōu)樽仙ㄒ妶D10）。最近，Magrini等人報道了螺吡喃機械載體在設(shè)計和制造可報告損傷的復(fù)合材料方法。他們建立了拉伸變形和螺吡喃改性聚合物的發(fā)光強度，導(dǎo)致復(fù)合材料損傷的可視化、量化和預(yù)測斷裂發(fā)生。

圖10：周期性撞擊材料表面顏色變化

這種含螺吡喃的材料為SHM應(yīng)用提供了良好的材料選擇。應(yīng)當(dāng)指出的是，注意材料在改性前后本身力學(xué)性能不受影響。此外，一些機械載體可以對溫度或光的刺激做出反應(yīng)。

使用發(fā)光劑也可以實現(xiàn)機械變色，且具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射（AIE）特征。AIE的材料在SHM中的工作原理是，當(dāng)它們?nèi)芙庠谌軇┲袝r，考慮到振動獲得能量使電子處于激發(fā)態(tài)，由于分子內(nèi)運動聚集導(dǎo)致發(fā)光。AIE分子已廣泛應(yīng)用于各種光電器件、化學(xué)傳感和生物成像等，它們是聚合物SHM材料的可選項之一。AIE分子改性的自動反饋聚合物復(fù)合材料可以通過將AIE分子化學(xué)連接或分散到聚合物分子鏈中來獲得。

Pucci等人將一組稱為四苯基乙烯的AIE分子分散到聚（b-苯乙烯-b-丁二烯-苯乙烯）彈性體中，以制造具有熒光的智能薄膜。當(dāng)該膜拉伸受力后，發(fā)出熒光，恢復(fù)到原始狀態(tài)，熒光消失。由于四苯基乙烯的AIE效應(yīng)，該復(fù)合膜的拉伸發(fā)光可以通過四苯基乙烯濃度和膜的厚度來控制。在其他研究中，四苯基乙烯用作功能涂層，以提高CFRP復(fù)合材料的損傷可見度。如圖11（a）所示，沖擊引起的損傷在紫外光下肉眼明顯可見。Weder等人開發(fā)了嵌入硅橡膠中的含有AIE分子新型微膠囊。材料分別在沖擊、拉伸和壓縮載荷下進(jìn)行了測試（圖11（b））。最近，Lu等人設(shè)計了一種多層涂層（見圖12），其中AIE分子具有紅色、綠色和藍(lán)色，封裝在聚合物的不同層中，通過辨識發(fā)光顏色，可以評估材料損傷深度。

圖11利用含有AIE分子涂層評估聚合物材料損傷情況

另一種類型的非常規(guī)發(fā)光聚合物，這種類型的AIE聚合物不含有任何共軛發(fā)色冠能團(tuán)，但可以通過富集電子群的聚集誘導(dǎo)發(fā)光，顯示出固有的固態(tài)熒光。在這種情況下，通過在材料變形過程中監(jiān)測它們的熒光，可以精確地分析聚合物材料的損傷情況，有關(guān)詳細(xì)信息已有研究報道。

圖12 含有AIE分子的多層涂層材料

2.2.基于物理的顏色變化

2.2.1基于材料結(jié)構(gòu)設(shè)計變換顏色

結(jié)構(gòu)變色材料是指基于物理特性的顏色，由相互作用導(dǎo)致可見光干涉引起具有隨機或周期性顏色變化。例如，定向二氧化硅基質(zhì)中的二氧化硅顆粒會產(chǎn)生蛋白石特有的顏色，這是通過二氧化硅顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和對光的折射率差異，在吸收光時導(dǎo)致光波取向呈現(xiàn)各向異性，宏觀表現(xiàn)出眾所周知的彩虹色。自然界中結(jié)構(gòu)變色材料的實例見圖13所示。

圖13自然界中結(jié)構(gòu)變色材料的實例

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們開發(fā)了人造光子晶體，它們可以在不同條件如熱、光和機械受力的刺激下改變顏色。機械受力刺激與其他刺激相比顏色變化最明顯。

光子晶體具有廣泛的應(yīng)用（色度傳感器在工程結(jié)構(gòu)SHM中的應(yīng)用），它們應(yīng)附著在基材上。然而傳統(tǒng)的光子晶體由硬質(zhì)材料制成，應(yīng)變導(dǎo)致的機械變形不足以實現(xiàn)用肉眼觀察的光學(xué)檢測。為了解決這個問題，聚合物基光子晶體用低摩爾溶劑溶脹以形成彈性體材料。此外，另一個解決方案是采用光子凝膠，因為后者對機械刺激表現(xiàn)出更高地靈敏度，因此可以更好地用作機械變色傳感器。

盡管目前已經(jīng)在開發(fā)結(jié)構(gòu)變色材料方面取得了一定的研究進(jìn)展，但由于其復(fù)雜的性質(zhì)，該技術(shù)仍然處于實驗室研究階段。然而，這不影響將其作為機械色度傳感器來檢測不同類型的工程結(jié)構(gòu)損傷的巨大應(yīng)用潛力。

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