智能柔性传感系统在极端工业环境中的多维度状态监测与自适应调控

在高端制造与极端工程领域，传统刚性传感器面临高温、强振动、腐蚀等复杂工况下的监测失效难题。以航空发动机涡轮叶片监测为例，其工作环境温度超 1200℃，气流冲刷导致的高频振动达 10^4 Hz，常规硅基传感器的应变耐受性不足 5%，且热循环疲劳寿命仅数百小时，难以满足长周期服役需求。针对这一挑战，基于纳米复合材料与智能算法融合的柔性传感系统成为突破瓶颈的核心方向 —— 通过将二硫化钼（MoS₂）纳米片与聚酰亚胺（PI）基体复合，利用原子层沉积技术构建厚度仅 500nm 的柔性传感膜，其热导率达 28 W/(m・K)，可在 - 200℃至 800℃范围内保持电阻温度系数（TCR）线性度 ±2.3%，同时通过仿生蜂窝状多孔结构设计，将应变灵敏度（GF 值）提升至传统金属应变片的 3.8 倍。
该系统的技术创新在于构建 “感知 - 计算 - 响应” 一体化闭环：柔性传感阵列通过压阻效应与热释电效应同步采集机械应力与温度场数据，边缘计算单元采用轻量化卷积神经网络（MobileNetV3）对多维信号进行特征融合，实时识别 12 类典型故障模式（如叶片裂纹、涂层剥落、气膜冷却失效），识别准确率达 97.4%。尤为关键的是，系统引入形状记忆聚合物（SMP）驱动的自修复机制 —— 当传感器表面因高温氧化出现微裂纹时，内置的温度敏感型 SMP 网络会在 150℃触发相变，填充缺陷区域并恢复导电通路，经 500 次热循环测试后，传感性能衰减率 < 7%，较传统传感器提升 4 倍以上。
在航天推进剂储罐监测场景中，该系统通过真空蒸镀法在铝合金内壁制备 100μm 厚的柔性传感涂层，结合分布式光纤光栅（FBG）实现罐壁应力场的毫米级分辨率成像。实验数据显示，其对 0.1mm 级微裂纹的检出率达 100%，响应时间 <50ms，较传统超声检测技术空间分辨率提升 10 倍。这种将纳米材料工程、智能算法与自适应结构融合的技术范式，不仅为航空航天、深海探测等极端领域提供了可靠的监测手段，更推动了工业传感从 “单点测量” 向 “全域智能感知” 的范式转变。未来通过引入量子隧穿复合材料（QTC）的压阻效应，可进一步将传感分辨率提升至纳牛级力感知，为微机电系统（MEMS）的故障预警提供原子尺度的监测能力。