CN101523185B - 具有用于机械损伤的检测结构的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由电气绝缘材料制成的部件(11)，其中设有设计为导体(14a，14b，14c)的用于对诸如裂缝的机械损伤进行检测的检测结构。这种检测装置的电气特性在发展的裂缝形成(箭头20)的情况下发生改变，因此部件(11)可以在失效前及时地更换。根据本发明规定，电导体通过相互接触的颗粒与金属表面一起形成。由此产生一种电导体，该电导体优选相对于机械损伤尤其灵敏，从而可以使检测结构(14a，14b，14c)实现较高灵敏度。如果所述金属表面仅通过颗粒的包壳产生且颗粒内部由部件(11)的材料制成，那么就可以另外为受强烈热应力作用的部件(11)，例如热屏蔽板，产生在热膨胀特性方面相匹配的导体。

Description

具有用于机械损伤的检测结构的部件

技术领域

本发明涉及一种由电绝缘材料制成的部件，该部件带有用于检测部件的机械损伤的检测结构，其中，检测结构具有与该部件固定连接的电导体，并且该检测结构的几何形状这样地与部件的几何形状相匹配，使得部件的机械损伤与电导体的电特性的改变相联系。

背景技术

本文开头所述类型的部件例如在DE10223985A1中说明。部件是优选由陶瓷制成的热屏蔽板。由于(例如可以安装在燃气轮机的燃烧室内的)热屏蔽板的持续热应力，存在热屏蔽板由于老化过程而受到机械损伤的风险。机械损伤通常存在于脆性材料中裂缝的形成，裂缝随着运行持续时间的增加而增长。如果裂缝增长达到一个特定阶段，那么就因而以一种不可接受的方式限制了热屏蔽板的可靠性，因为热屏蔽板可能会从其锚固件中松脱。为了能够检测到这一时刻，设有用于对部件的机械损伤进行检测的检测结构。这种检测结构的几何形状与部件的几何形状的匹配起作用，使得由电导体构成的检测结构在裂缝形成时这样地被损坏，使得其电特性、尤其是其导电能力发生改变。这种改变可以作为裂缝的形成发展到不允许的程度的特征，其中，对检测结构的电信号的评估能够得出何时必须更换热屏蔽板的结论。

电导体和部件之间的固定连接要么可以在部件的表面上实现，例如通过将陶瓷的导体安装在表面上或者将陶瓷导体安置在在表面上延伸的凹槽内并与陶瓷部件烧结到一起。另一种可能性是将电导体设在部件内部。例如可以通过在制造基体时将环路嵌入该热屏蔽板内而将导电材料呈环路状地布置在热屏蔽板内。

根据EP300380A1已知的是，由云母制成的颗粒可以设有银导电层，并可以用于聚有机硅氧烷化合物。由此产生一种热硬化的化合材料，该材料在硬化后提高了导电特性。由于云母的晶体结构，云母颗粒是指具有强烈各向异性的机械特性的颗粒。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种带有作为用于损伤的检测结构的电导体的部件，其中，该电导体对损伤相对灵敏地反应。

根据本发明，这一技术问题利用本文开头所述类型的、其中电导体由相互接触的、带有金属表面的颗粒构成的部件通过下面详细描述的措施加以解决，即，使用带有金属包壳以及与部件特性相匹配的芯部的颗粒。

因此，电导体的导通由此实现，即，具有金属表面的颗粒相互接触，使得具有金属表面的颗粒之间能够发生电子交换。由此，在颗粒的接触表面上有意地形成了电导体的特别敏感的区域，所述区域在部件损伤(尤其是切断电导体的裂缝生长)的情况下导致电导体的电特性的明显变化。电导体的导通电阻尤其相对强烈地变化。

由于制造过程，在由具有金属表面的颗粒制造电导体时会导致构成金属表面的金属熔化，使得形成电导体的颗粒的结合得以加固。不过，在现在在内部连接的颗粒之间的过渡位置处，所产生的电导体相对于机械应力的敏感性保持提高。颗粒的金属表面也可能在制造部件时不熔化。当所用金属的熔点高于在制造部件时出现的温度时是这种情况。在塑料部件的情况下，对于多数金属都是如此。在为进行制造而必须采用退火处理的陶瓷部件的情况下，可以使用适当的难熔金属，例如钨。

根据本发明设计为，颗粒由带有金属包壳的电绝缘芯部组成。由此，即使在金属熔化时也形成了所产生的电导体的结构，该结构被构造成非实心的，而是除了在颗粒之间形成的空隙之外还具有由颗粒的电绝缘芯部材料填充的部分区域。导体的由此形成的泡沫状结构还带来了相对于机械损伤的特别敏感性。

而且，根据本发明设计为，芯部由这样一种材料制成，该材料关于其机械特性、尤其是它的热膨胀特性与部件材料的特性相匹配。尤其在承受热应力的部件(如热屏蔽板)的情况下，由此得到的优点在于，布设在部件内部的电导体具有与包围的部件的热膨胀特性相匹配的热膨胀特性。由此，可以避免由于两种不同材料的不同热膨胀而出现的应力，并因而可以使部件具有机械过应力。一般而言，金属材料例如具有比陶瓷部件更高的热膨胀系数，这给金属导体在陶瓷热屏蔽板中的使用带来了困难。即，除了部件的应力，在电导体由于所产生的应力而发生变形时，部件以及电导体的不同的热膨胀也使借助电导体产生的测量结果出现错误。因此，通过电导体与部件的热膨胀特性的匹配，也可以改进测量方法的灵敏度，从而降低发生测量误差的可能性。特别有利的是，相同地选择芯部材料与部件的材料，因为由此可以尽最大可能地匹配电导体和包围它的部件的机械特性。

显然上述措施对于设置在部件表面的电导体也是有效的。在此，不同的热膨胀系数甚至可以导致电导体从表面脱离，从而完全破坏用于机械损伤的检测结构。由此例如会产生一种被解释成部件损伤、尤其是裂缝生长的进展已达到需要更换部件的程度的错误信息。

根据本发明的一种特殊构造设计为，具有金属表面的颗粒在电导体中与完全由电绝缘材料、尤其由部件的材料制成的颗粒混合地存在。由此，可以有利地进一步降低电导体内的金属填充度。除了颗粒间的空隙或者颗粒的可能的非金属芯部之外，在电导体内也存在由完全由电绝缘材料制成的颗粒组成的部分区域。通过降低电导体内的金属材料填充度，所述电导体按照所述机制有利地相对于机械损伤更敏感。由此进一步提高了检测结构的灵敏度。

如上所述，尤其有利的是检测结构的一种如下应用，其中，要检测的机械损伤是部件中的裂缝形成，其中，在这种情况下导体这样地延伸，使得该导体被预计的裂缝生长所切开。由此，有利地实现，即，在裂缝生长到达导体表面时优选与导体的走向成直角地开始分割该导体，从而相对于发展的裂缝生长产生导体电特性的最大可能的变化。由此，一旦裂缝到达用作检测结构的导体并继续发展时，就可能发生电特性的改变。

如果导体的平行于部件表面延伸是尤其有利的。在此，要考虑到这样的情况：部件中的裂缝通常从表面出发向部件内部蔓延，并因而导致有关部件横截面连续地机械削弱。裂缝生长以部件的机械失效而告终，其中，检测结构应阻止部件失效。如果导体平行于部件表面布设，那么应注意到，在裂缝导致部件失效之前导体就由于裂缝生长而断开。

如果设置有多个以不同的距离平行于表面延伸的相互独立的导体是特别有利的。由此不仅可以保证在部件失效之前及时更换部件，而且也能够在裂缝扩张的早期了解部件状态。在存在相互独立的导体的情况下，发展的裂缝生长随着裂缝扩张前沿距表面间距的增长而到达前后相继的相邻的独立导体，从而可以估计出当前裂缝扩张前沿的阶段。

电导体可以针对要检验的特性(例如电阻)通过电接触进行估值。在这种情况下，可以例如通过电导体发送直流电或交流电，这能够确定电阻。另一种可能是非接触式地实现电导体的特性的检测。在此，在高频范围内产生电磁激励，该电磁激励导致有关导体的响应。对此响应例如可以借助天线非接触式地检测。在检测结构的这种设计中，这样地构造独立的各导体的走向是有利的，即，使各导体在高频电磁激励下产生可以相互区别的频谱特征。导体的频谱特征在本发明的范围内是指这样一个数学函数，其中，利用该数学函数可以根据激励的频谱确定电导体关于所观察的电特性方面的响应。为了能够在激励区域内产生不同的频谱特征，改变不同的相互独立的各导体的电特性是必要的。这可以例如通过选择导体在部件内的走向、导体的厚度以及通过选择导体材料实现，其中颗粒的布置可以按上述方式对电特性的变化做出贡献。如果相互独立的各导体在它们的频谱特征方面可以是不同的，那么有利的是确定所述导体中的特定一个的电特性的改变，因为它们的频谱特征的改变可以毫无疑义地归结于所述电特性的改变。另一方面，导体的机械损伤，尤其是导体由于部件内的裂缝形成的断开不允许使导体的频谱特征这样程度地异化，即，使导体改变了的频谱特征与其它导体的频谱特征相比不再具有足够的区别力。在这种情况下，丢失了位置信息。

根据本发明的一种特别的设计，导体具有环路形的走向。导体可以有利地沿部件(例如热屏蔽板)的边缘平面地布设。此外，可以以具有环路形走向的导体为高频激励产生特别良好的频谱特征，由于环路在特定的裂缝生长的情况下的断开，该频谱特征也以容易验证的方式改变。

附图说明

下面结合附图说明本发明的具体细节。图中相同或相应的图示元素分别具有相同的附图标记，并且仅对各图的不同之处进行了重复解释。在附图中：

图1示出了作为根据本发明的部件的实施形式的热屏蔽板的横截面，

图2示出了作为根据本发明的部件的另一实施形式的热屏蔽板的俯视图，

图3和图4示出了现有技术中的电导体，

图5和图6以局部剖面图示出了如何将电导体的不同实施形式安装到根据本发明的部件内。

具体实施方式

图1所示部件11被构造为例如用于燃气轮机燃烧室的热屏蔽板。该部件具有一个朝向燃烧室的前侧12，该前侧最强烈地承受由于燃烧过程造成的热应力；以及具有一个后侧13，该部件可以按照一种未详细示出的方式用此后侧固定在燃烧室壁上。部件11由陶瓷制成。在部件内部布设电导体14a，所述电导体可以具有一种在图1中不可见的环路形走向。导体14a具有至部件11的后侧13的电连接件15，该电连接件可通过接触面16电接触。在一凹槽17内安装另一导体14b，所述导体在后侧13同样构成一个未详细示出的环路(Schleife)。而且，在部件的由后侧13构成的表面上构造有凸起的导体14c，该导体同样环路形地延伸。导体14b和14c也具有用于它们的接触的接触面16。因为接触面布置在部件11的后侧13上且接触面16的热应力可以保持在极限以内，因而即使在运行时也能够实现内置的热屏蔽板的接通。

此外，图1所示截面刚好延伸穿过一个裂缝18，所述裂缝的裂缝前部19向箭头20的方向在部件11内展宽。在此，导体14a的最外侧已经被断开，因此在该导体电接通时电路不再能够闭合。由于导体14a、14b、14c都平行于由部件的前侧12构成的表面延伸，因而第一导体14a的故障能够对裂缝的发展得出间接的推论。由于裂缝的进一步生长，另一导体14a、导体14b以及最后导体14c相继地断开。

图2示出了导体14a、14b至板状部件11的边缘距离恒定的可能环路状的走向。另外可知，裂缝18的发展的裂缝生长相继地首先断开外部的环路14a，然后断开内部的环路14b。与图1所示不同，如图2所示，导体14a、14b被设计为感应环路，即，所述导体14a、14b不具有接触面16并被设计成闭合的。

由图3至图6可知，电导体14可以由金属颗粒21组成，或由非金属芯部23以及金属包壳24组成的颗粒22组成。另外，在导体14中还可设有由电绝缘材料制成的其它颗粒25。部件11(仅示出了与电导体14邻接的部分区域)与导体14固定连接，其中，图3至图6中示出的部件11和导体14之间的各过渡段的截面能够代表导体14a、14b或14c的所有可能布置。

下面将详细地解释由颗粒21、22、25组成的导体的不同结构，其中，图中所示的变型的其它组合可由本领域技术人员轻易获得。所用的颗粒21、22、25可以被设计为微米颗粒(即，尺寸为约0.1至500μm)或者纳米颗粒(即，尺寸最高为100nm)。

图3所示的电导体由金属颗粒21形成。这意味着，颗粒21由实心金属制成。相邻的颗粒21分别在接触位置26相接触，其中，颗粒之间的空隙27降低了电导体14的有效导电截面，并因此提高了对于导体14的损坏(例如由于在部件11内展宽的裂缝生长而造成的损坏)的灵敏度。

部件11例如由塑料制成，其中，颗粒21浇铸在塑料中。在与此相关的制造过程中出现的温度并不足以使颗粒21熔化。因此，相邻颗粒的接触位置得以保持，而不用在相邻颗粒21之间构造材料接合的连接。

图4所示部件11由陶瓷制成并例如能够构成热屏蔽板。再次使用金属颗粒21作为电导体14，其中，所述颗粒由于与构件11的制造相关的热处理而至少在表面上熔化，并因而相互形成一种材料接合的连接28。不过，在此可以在熔化的颗粒21之间留有空隙27。

此外，除了金属颗粒2 1之外还使用由与部件11的材料相同的陶瓷材料制成的其它颗粒25来构成电导体14的结构。所述其它颗粒例如可以由金属颗粒21包围或者在与部件11的边界处由于所进行的热处理与部件11的材料以材料接合的方式连接。也示出了构成部件11的微结构的陶瓷颗粒29的边缘。

由图4进一步可知，其它颗粒25可以在电导体14的材料中仅按这样的相对于金属颗粒21的浓度给出，使得金属颗粒21可靠地构成关联的结构。仅以这种方式能够在电导体14内构成以虚线示出的导电路径30，所述导电路径确保了导体14的导电能力。

在图5所示的电导体14中，颗粒22用于传导电流，所述颗粒分别由金属包壳24以及电绝缘芯部23组成。此外，可以设有由部件11的材料制成的其它颗粒25。颗粒22的芯部23也可以由这种材料制成。与图4不同的是，包壳24的金属材料足够恒温，使得所述金属材料不会由于形成部件11的热处理熔化。因此，如图3所示，颗粒22处在未熔化状态下，所以仅接触位置26用于构成导电路径30。

将部件11的材料用于其它颗粒25和芯部23的优点在于，导体14在部件11的热应力下表现出与部件11的热膨胀特性强烈地相匹配的特性。因此，由于在部件11加热时出现的热膨胀而在电导体14中出现的应力保持得最小，使得导体14的电特性由于其本身的机械应力的变化仅当部件11例如由于裂缝的形成而受到损伤时才出现。热应力仅仅可逆地且取决于温度地单独改变导体14的电特性，并因此可以通过温度测量来预测并加以考虑。

图6所示电导体14同样由带有芯部23和包壳24的颗粒22组成。在制造部件11时颗粒22的包壳24被熔化，使得在形成空隙27的同时得到金属材料的材料接合的连接28用于构成电导体。导体14的有效截面在这种情况下主要通过芯部23减少，但也通过空隙27减少。

芯部23由与部件11的材料不同的材料制成。但是，芯部23的材料在热膨胀特性方面与部件11相匹配。由此可以实现参照图5所解释的、电导体关于由机械过应力导致的电特性不希望的变化的温度不敏感性。

Claims (18)

1.一种由电绝缘材料制成的部件(11)，带有用于该部件(11)的机械损伤的检测结构，其中，

-所述检测结构具有与所述部件固定连接的电导体(14，14a，14b，14c)，

-所述检测结构的几何形状这样地与所述部件(11)的几何形状相匹配，使得所述部件(11)的机械损伤与所述电导体(14，14a，14b，14c)的电特性的改变相联系，

-所述电导体通过相互接触的、带有金属表面的颗粒(21，22)构成，

其中，所述颗粒(22)由带有金属包壳(24)的电绝缘芯部(23)制成，其中，所述芯部(23)由这样的材料制成，该材料关于其机械特性与所述部件(11)的材料特性相匹配，

其特征在于，

具有金属表面的所述颗粒(21，22)在所述电导体(14，14a，14b，14c)中与完全由电绝缘材料制成的颗粒(25)混合存在。

2.如权利要求1所述的部件(11)，其特征在于，所述芯部(23)由这样的材料制成，该材料关于其热膨胀特性与所述部件(11)的材料特性相匹配。

3.如权利要求1所述的部件(11)，其特征在于，具有金属表面的所述颗粒(21，22)在所述电导体(14，14a，14b，14c)中与完全由所述部件(11)的材料制成的颗粒(25)混合存在。

4.如权利要求1所述的部件(11)，其特征在于，所述芯部(23)的材料与所述部件(11)的材料相同。

5.如权利要求1所述的部件(11)，其特征在于，所待检测的机械损伤是所述部件内的裂缝形成，其中，所述电导体(14，14a，14b，14c)这样地延伸，使得所述电导体被所预计的裂缝生长切开。

6.如权利要求5所述的部件(11)，其特征在于，所述电导体(14，14a，14b，14c)平行于所述部件(11)的表面延伸。

7.如权利要求6所述的部件(11)，其特征在于，设置多个以不同距离平行于所述表面延伸的、相互独立的电导体(14，14a，14b，14c)。

8.如权利要求7所述的部件(11)，其特征在于，这样地设计独立的各所述电导体(14，14a，14b，14c)的走向，使得所述电导体在高频电磁激励下产生能相互区别的频谱特征。

9.如权利要求1至8中任一项所述的部件(11)，其特征在于，所述电导体(14，14a，14b，14c)具有环路形的走向。

10.如权利要求1至8中任一项所述的部件(11)，其特征在于，所述部件(11)被构造为用于热屏蔽的衬层。

11.如权利要求9所述的部件(11)，其特征在于，所述部件(11)被构造为用于热屏蔽的衬层。

12.如权利要求4所述的部件(11)，其特征在于，所待检测的机械损伤是所述部件内的裂缝形成，其中，所述电导体(14，14a，14b，14c)这样地延伸，使得所述电导体被所预计的裂缝生长切开。

13.如权利要求12所述的部件(11)，其特征在于，所述电导体(14，14a，14b，14c)平行于所述部件(11)的表面延伸。

14.如权利要求13所述的部件(11)，其特征在于，设置多个以不同距离平行于所述表面延伸的、相互独立的电导体(14，14a，14b，14c)。

15.如权利要求14所述的部件(11)，其特征在于，这样地设计独立的各所述电导体(14，14a，14b，14c)的走向，使得所述电导体在高频电磁激励下产生能相互区别的频谱特征。

16.如权利要求1、4、12至15中任一项所述的部件(11)，其特征在于，所述电导体(14，14a，14b，14c)具有环路形的走向。

17.如权利要求1、4、12至15中任一项所述的部件(11)，其特征在于，所述部件(11)被构造为用于热屏蔽的衬层。

18.如权利要求16所述的部件(11)，其特征在于，所述部件(11)被构造为用于热屏蔽的衬层。