独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长吉川博之]（以下简称“AIST”）生产测量技术研究中心[研究中心主任五十岚一夫]应力激发发光技术团队的研究组长徐超、Adaptronics团队的Naohiro Ueno等人正在研究从外部无法直接看到的结构缺陷及其危险程度。应力发光我们开发了一种利用人体发光强度分布的可视化技术。
传统上，对于结构中的异常/危险检测，无损检测使用X射线和超声波等技术的缺陷检测方法被使用，但确定缺陷的危险级别极其困难。了解缺陷的风险级别，同时了解缺陷应力场中的异常，但到目前为止，很难同时检测缺陷及其应力场。
新开发的可视化技术将含有细颗粒的涂料涂在结构表面，当受到机械刺激时，这些颗粒会发光（应力发光），从而对结构施加力和振动。通过应力产生的表面发光强度分布，可以实时可视化结构表面未出现的裂纹等缺陷的发生和存在，同时缺陷的应力场和危险程度一目了然。利用这项技术，将含有应力激发发光材料的涂料涂在金属板上，使其肉眼看不见。疲劳裂纹以及裂纹尖端无法检测到的应力集中，我们能够同时检测裂纹的位置和危险程度。
这项研究的成果将于2008年11月18日在东京举行的日本科学技术振兴机构战略创意研究推进项目团队基础研究（CREST）中“先进综合传感技术”研究领域的2008年公开研讨会上发表。
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涂覆应力激发发光膜的金属试片
可视化看不见的疲劳裂纹和应力异常
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近年来，由于社会资本结构和产业结构老化和维护不善而导致的事故频发，预防事故和延长其寿命的技术需求迅速增加。日本将创新安全管理技术的开发，特别是充分利用无损检测技术和传感器的先进检测诊断技术、劣化预测技术、健全性评价与管理技术等，被列为“第三次科学技术基本计划”的战略优先科技问题之一。
目前，结构的无损检测技术包括X射线检测技术和超声波检测技术，但即使检测到缺陷，也很难同时检测到应力场的异常情况，因此需要了解缺陷的危险程度。对于压力检测，应变计和光纤，但需要大量传感器来测量应力场分布。此外，当裂纹实际发生时，传感器会断开而无法检测到，因此仍然无法同时检测到裂纹的发生和应力场的异常。
有很多问题是常规技术无法解决的，工厂各种管道、隧道的安全检查实际上严重依赖人力，比如敲击检查，而且往往受到检查工程师的经验和直觉的影响。目前，许多熟练的工程师正在退休，由于技能的替代和转移不足，许多部分依靠人来确保安全和保障的能力已经达到了极限。需要开发使用简单可靠的缺陷和危险级别检测的危险安全管理技术。
产业技术研究院的生产测量技术研究中心开展一系列的研究和开发活动，从阐明应力激发发光的机制到材料开发、设备化、系统化和应用开发。迄今为止，我们已经开发了表现出更强的应力激发发光的材料，创建了应力激发发光材料的纳米尺寸颗粒，并创建了可以应用于结构表面的涂料，使得实际观察结构中的各种力学现象成为可能。作为应用开发的一部分，我们对采用应力激发发光材料的结构进行了应力分析研究，发现采用传统技术的应力分布数值计算结果和测量值与应力激发发光强度分布高度相关。
这项研究是日本科学技术振兴机构战略创意研究促进项目团队型研究（CREST）研究领域“先进集成传感技术”中“使用应力刺激发光材料创建安全管理网络系统”研究项目的一部分。
应力激发发光材料是粉状陶瓷细颗粒（粒径可控制），每个细颗粒都是一个传感器，直接将机械信号转换为光信号，因此可以检测从微观到宏观尺度的现象。当施加这些微粒时，通过每个微粒的发光，获得整个视场上的应力集中作为一种图像信息。因此，在观察整个区域的同时，可以以高分辨率可靠地捕获该区域内发生的局部缺陷及其应力异常和危险水平。这一点是该技术的一大特点。
图 1 显示了同时测量缺陷和应力分布的示例。将含有应力激发发光材料的涂料涂在金属板上（图 1A），使用应力激发发光可以使肉眼看不见的疲劳裂纹可视化（图 1B）。同时，还可以将无法检测到的裂纹尖端的应力集中可视化，同时可以检测到裂纹的位置和危险程度（图1C）。
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图1同时检测结构中隐藏的裂缝及其危险级别
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图 2 显示了检测不锈钢板中疲劳裂纹扩展的示例。如图2A所示，采用宽度为25毫米、厚度为3毫米的不锈钢板，其上面积为10毫米×10毫米的应力激发发光材料，并在左侧设置宽度为05毫米、长度为25毫米的凹口。另外，在不锈钢板的背面的大致中央部安装应变计来测定应变。当使用疲劳试验机反复施加拉力时，随着时间的推移，裂纹从不锈钢板左侧的缺口尖端开始发展，并逐渐向右侧扩展。图 2 B 至 F 中的一系列图像是使用应力诱导发光捕获的裂纹扩展的视频。由于应力集中在裂纹尖端，该部分的应力激发发光强度比周围区域更强。此外，它周围的应力分布也可以作为发光强度的分布来观察。随着时间的推移，应力激发发光强度最强的点向右移动，这是不断增长的裂纹的尖端。然后，可以从应力激发发光强度量化应力异常值，并诊断裂纹的危险程度。请注意，应变仪无法测量随时间的变化。换句话说，应力诱导发光可以同时检测仅发生在不锈钢板背面的微小疲劳裂纹（C）、其生长以及与之相关的应力集中程度，而这是使用传统技术无法测量的。
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图2 使用漆膜传感器检测微小疲劳裂纹扩展
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图3显示了同时检测不同缺陷级别的示例。当将应力激发发光材料施加到背面（图3中心）不同深度的直径为1mm的圆孔（缺陷）的金属板的表面上并使用测试机拉动金属板（图3左侧）时，在缺陷位置对应的表面上观察到图3右侧所示的应力激发发光分布。图3右侧以易于理解的伪3D彩色图像显示了应力刺激的发光强度，随着发光强度的增加，颜色按蓝色→绿色→黄色→红色的顺序显示。应力激发发光强度特别强的部分与背面圆孔的位置相同，并且随着圆孔变深强度也变强。如果没有缺陷，则观察到应力激发发光均匀分布在金属板的表面上，因此通过观察应力激发发光分布的异常可以检测金属板背面或内部的缺陷。换句话说，缺陷的位置及其风险水平可以从应力引起的发光图像中可视化。
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图3 背面有缺陷（不同深度的圆孔）金属板表面拉伸试验时的应力致发光图像
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该技术有望应用于管道、储罐、飞机等的安全管理和无损检测。
今后，基于此次开发的异常/危险检测技术，我们将开发一种以颜色变化的形式记录压力历史的装置，并开发传感器网络节点并创建集成系统。我们的目标是与企业合作进行示范测试，开发全面监控建筑物安全的安全管理网络系统。我还想致力于将全场应力可视化和分析应用于无损检测技术，以及力的产生和传播的基础研究。