实验室夏志国教授团队：热致可恢复锰基杂化卤化物力致发光材料用于结构健康监测
断裂型力致发光（FML）材料可将机械刺激直接转化为可见光信号，在应力感知和结构健康监测等领域具有重要应用潜力。然而，FML 通常伴随晶体断裂，机械作用后材料内部结构受损，发光强度随之衰减，限制了其进一步使用。因此，如何恢复机械疲劳后的力致发光性能，是提升材料实用性的关键问题。同时，FML 信号能够反映不同机械事件的特征，为结合机器学习实现智能化结构健康监测提供了新的研究思路。
近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室夏志国教授团队基于锰基杂化卤化物 EPB2MnBr4构筑了柔性断裂力致发光复合薄膜。研究发现，材料在多次机械作用后出现明显的 FML 强度衰减，而经热处理后，其发光强度可恢复至初始值的约 75.5%。结合结构表征与热力学分析，团队提出并验证了基于 Ostwaldripening（奥斯特瓦尔德熟化） 的热致恢复机制。与此同时，团队进一步利用 FML 信号结合一维卷积神经网络，对不同机械事件进行分类识别，展示了该类材料在结构健康监测中的应用潜力
研究团队选用零维锰基杂化卤化物 EPB2MnBr4 作为发光组分，并将其分散于聚二甲基硅氧烷（PDMS）中制备柔性复合薄膜。该材料在按压、拉伸和折叠等机械刺激下均可产生明显的绿色断裂力致发光。随着机械作用次数增加，FML 强度逐渐衰减；经过 100 次机械循环后，其发光强度降至初始值的约 10.1%，而在 80-90 ℃下热处理 30min 后，可恢复至初始值的 75.5%以上。
结构表征表明，热处理过程中材料未发生明显相变或新的化学反应。研究进一步提出，机械作用产生的高曲率微小晶体和缺陷区域在加热后优先溶解，并通过 PDMS 基体中的局域传质过程向较大晶体迁移和重新沉积，发生 Ostwaldripening，从而促进晶体重新生长并部分恢复 FML 性能。
此外，团队利用不同机械事件产生的 FML 信号构建 1D-CNN 模型，实现对 Impact、Static load、Vibration和 Ambient 四类机械事件的分类识别，验证集准确率达到98.75%，展示了该材料在结构健康监测中的应用潜力。
图1 热诱导FML 恢复过程中Ostwald ripening介导晶体再生的机制示意图。(a) 晶体/PDMS 复合材料由初始状态，经机械疲劳状态，再到热恢复状态的演变示意图。反复机械载荷使嵌入的晶体破碎为微晶，导致FML 明显猝灭；热处理促进晶体重新生长及界面重构，从而部分恢复FML 响应；(b) 初始状态（①）、疲劳状态（②）和热恢复状态（③）对应的FML 发射光谱示意图，展示加热后发光强度的恢复；(c) 晶体熟化的热力学起源；(d) PDMS 基体中重结晶过程的动力学增强机制。
图2 EPB2MnBr4晶体的结构与光学性质。(a) 晶体结构；(b)PLE 光谱；(c) 晶体在不同机械作用方式下产生发光的照片；(d) FML 光谱（上）与PL 光谱（下）；(e) FML 机制示意图；(f)不同尺寸晶体的FML 光谱（上）及 FML 强度与晶体尺寸关系的柱状图（下）。
图3 EPB2MnBr4@PDMS的PL与FML性能。(a)热固化制备的EPB2MnBr4@PDMS 薄膜均匀性表征，包括自然光和紫外光下的发光照片、SEM图像及EDS元素分布图；(b)不同机械作用下的FML 图像；(c) 自搭建FML测试系统；(d)FML与PL光谱；(e)EPB2MnBr4@PDMS在疲劳测试过程中的 FML 强度变化；(f)不同外力下的FML光谱；(g)FML 强度与外力的散点图及拟合关系曲线（1-5 N应力范围）；(h)APB₂MnBr₄@PDMS 的 FML与PL光谱。
图4 EPB2MnBr4@PDMS的可恢复FML性能；(a)初始状态、机械敲击后以及加热30 min后的FML光谱；(b)初始状态、机械敲击后以及分别加热 10、20和30min后的XRD图谱；(c)PDMS 与 EPB2MnBr4@PDMS的DSC 曲线；(d) 嵌入PDMS中单个晶体在初始状态、机械敲击后以及分别加热10、20和30 min 后的光学显微图像；(e) 三个“机械敲击-加热30min”循环过程中FML强度变化的柱状图。
图5 机器学习辅助的弹性体用于矿洞结构健康监测。(a) 数据采集流程及1D-CNN模型结构示意图；(b，c)100个训练周期内训练集与验证集的损失和准确率变化曲线；(d)1D-CNN在验证集上的分类混淆矩阵；(e) ROC 曲线；(f)四项评价指标——准确率、精确率、召回率和 F1 值的五折交叉验证结果（宏平均）；(g)验证集中CNN提取特征的UMAP可视化结果。
相关研究成果以“Thermally Recoverable Fracto-Mechanoluminescence in Manganese Based HybridHalides for Fatigue-Resistant Structural Health Monitoring”为题发表在Advanced FunctionalMaterials上，其中通讯作者为夏志国教授和汪玉珍副教授，第一作者为陈惠琳硕士生。该研究工作得到了中国国家自然科学基金会（52302177和52425206）、广东基础应用基础研究基金会（2024A1515011070）等科研项目的资助。
