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Este estudo relata a medição de deformação óptica de próxima geração com “pele inteligente com detecção de tensão” (S4) e uma comparação de seu desempenho com o método estabelecido de correlação de imagem digital (DIC). S4 mede mudanças induzidas por deformação nos comprimentos de onda de emissão de nanotubos de carbono de parede única incorporados em uma película fina na amostra. O novo filme S4 melhora a uniformidade espectral dos sensores de nanotubos, evita a necessidade de recozimento em temperaturas elevadas e permite medições DIC paralelas. Os mapas de deformação sem contato medidos com os filmes S4 e varredura pontual foram comparados diretamente com aqueles do DIC em amostras de teste de acrílico, concreto e alumínio, incluindo uma com danos subterrâneos. As características de deformação foram reveladas mais claramente com S4 do que com DIC. Simulações do método de elementos finitos também mostraram concordância mais próxima com S4 do que com resultados DIC. Estas descobertas destacam o potencial da tecnologia de medição de deformações S4 como uma alternativa promissora ou complemento às tecnologias existentes, especialmente quando deformações acumuladas devem ser detectadas em estruturas que não estão sob observação constante.

Uma concentração de tensão é um local em que a tensão mecânica é significativamente maior do que na área circundante. Pode ocorrer quando existem irregularidades na geometria ou no material de um componente estrutural. Materiais frágeis normalmente falharão em locais de alta tensão devido a fraturas e rachaduras. Para materiais dúcteis, a concentração de tensão pode causar deformação plástica localizada e escoamento. Além disso, fissuras por fadiga e fratura devido a cargas de baixo nível, mas de alta frequência, também aumentariam em regiões de concentração de tensão e causariam danos. Muitos casos de falhas estruturais em edifícios, pontes, navios e aeronaves estão intimamente relacionados à concentração tensão-deformação. Como um indicador direto dos efeitos da concentração de tensão, a medição de deformação desempenha um papel importante no monitoramento da saúde estrutural (SHM) e nos testes não destrutivos. Por esta razão, muitos estudos analíticos, numéricos1,2,3 e experimentais foram conduzidos nas últimas décadas para investigar deformações estruturais e danos induzidos por várias condições de carregamento.

Os métodos experimentais de medição de deformação podem ser divididos em duas categorias principais: técnicas baseadas em contato e técnicas sem contato. Na detecção de deformação baseada em contato, os sensores piezoresistivos e de rede de Bragg de fibra (FBG) são os mais amplamente utilizados. Os sensores de deformação piezoresistivos incluem o extensômetro de folha e outros sensores fabricados a partir de materiais com propriedades piezoresistivas, como nanotubos de carbono (CNTs) 4,5,6 e compostos metálicos 7,8,9. Em materiais piezoresistivos, a condutividade muda com a deformação em uma relação linear10. Por outro lado, os sensores FBG são ópticos, oferecendo as vantagens de insensibilidade à interferência eletromagnética, pequenas dimensões e resistência à corrosão11,12,13. No entanto, tanto para sensores piezoresistivos quanto para FBG, a deformação é medida pontualmente em uma direção individual, o que leva a alto custo e baixa resolução espacial quando é necessário mapeamento de deformação em campo completo. Esses sensores são mais úteis quando os usuários têm conhecimento prévio dos locais de concentração de tensão e podem implantá-los adequadamente.

As técnicas ópticas de detecção de deformação sem contato têm duas vantagens principais. Uma delas é evitar a necessidade de conexões elétricas ou de fibra óptica entre os sensores e o dispositivo de medição. A outra mostra a distribuição de deformações em uma região bidimensional de interesse, o que é importante para detecção de danos e estudos de comportamento de fratura. Atualmente, as técnicas de detecção de deformação óptica sem contato de campo total podem ser classificadas como: (1) interferométricas 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, (2) baseadas em imagens, ou ( 3) espectroscópico. As técnicas interferométricas medem os deslocamentos em escala micrométrica de um material com base em padrões de interferência óptica. Eles podem ser altamente sensíveis à variação do campo de deformação, mas são adequados apenas para medição de estruturas de modelos em pequena escala em ambientes de laboratório.