Visualiseren van (ultra-)geluid, vibraties en stress via mechanoluminescentie

Groep: Lumilab

Promotoren: Prof. Philippe Smet en dr. Ir. Mathias Kersemans (Mechanics of Materials and Structures MMS, EA10)

Begeleiding: Simon Michels

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Projectbeschrijving

1718LU0502.png

Mensen hebben het natuurlijke vermogen om druk op te voelen via de huid. Dit laat ons toe om te reageren op een aanraking; het is ook een waarschuwingsmechanisme in geval van gevaar. Enkele materialen vertonen dezelfde eigenschap, maar uiten hun drukgevoeligheid op een iets andere manier: ze zenden zichtbaar licht uit ten gevolge van een uitwendig aangelegde mechanische spanning en de resulterende druk. Dit fenomeen werd reeds ontdekt in 1605 door Francis Bacon, bij het schrapen van suikerklontjes. Later is gebleken dat bijna de helft van de kristallijne materialen dit soort “destructieve mechanoluminescentie” of fractoluminescentie vertonen.

Nog interessanter echter is de lichtemissie van bepaalde materialen nadat ze elastisch vervormd worden, wat aangeduid wordt met non-destructieve mechanoluminescentie, elastico-luminescentie of piëzo-luminescentie. Op die manier kan je zelfs “tekenen” op het materiaal, zoals te zien is in de lichtgevende versie van het UGent-logo hieronder.

1718LU0501.png

Onlangs demonstreerden de onderzoeksgroepen LumiLab en MMS de detectie van dynamische elastische vervorming met behulp van het nieuwe piëzo-luminescent materiaal BaSi2O2N2:Eu. Dit luminescent materiaal (ook wel fosfor genaamd) vertoont een dergelijk hoge sensitiviteit voor druk dat het zelfs geactiveerd kan worden door ultrageluidsgolven (geluidsgolven met een MHz frequentie). Dit kan je zien in de figuur: de ultrasone geluidsbron (“transducer”) zendt drukgolven naar het (groene) fosfor-sample, dat vervolgens plaatselijk oplicht. Op die manier wordt een doorsnede bekomen van het geluidsveld, voor een specifieke afstand tussen transducer en sample. Om een idee te geven van de drukgevoeligheid: als je je hand in de geluidsgolf zou houden, zou je geen enkele druk voelen.

1718LU0503.png

 Op dit moment is er echter nog weinig gekend over dit luminescente fenomeen en het mechanisme bij stimulatie door ultrageluid, noch welke mogelijke toepassingen in het verschiet liggen. Deze masterthesis heeft als doel de verschillende factoren in de lichtemissie van een piëzo-luminescent materiaal bij dynamische elastische vervorming experimenteel te onderzoeken. De student zal het effect van verschillende uitrageluid-parameters bekijken (zoals frequentie en intensiteit) en andere piezo-luminescente fosforen verkennen (of er zelf één ontwikkelen). Verder zal de student dit fenomeen uitbreiden naar vibraties (kHz frequenties) en/of quasi-statische spanningen (Hz frequenties) in structuren. Dit kan uiteindelijk leiden tot “smart engineering structures”, die hoogst gewild zijn in de industrie, met een ingebouwd alarmsysteem van lichtemissie bij ontoelaatbare spanningen (zoals bijvoorbeeld bij een windturbine tijdens een storm).