CN103278532A - 一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，所述的微米传感元具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层、中层为导电薄膜结构的传感层、顶层为封装保护传感层的保护层，传感元各层的厚度均在微米级，故称微米传感元；微米传感元的形状由置于基体材料上的模板来控制，覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元的宽度根据实际需求进行调整，即传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹长度。本发明通过合理设计微米传感元，基于电位监测的基本原理，在裂纹形成和扩展阶段进行电位检测，实现了对金属结构从塑性变形到疲劳裂纹萌生直至失稳断裂的疲劳损伤全程监测以及对结构多个关键位置的健康状态同时监测。

Description

一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法

技术领域

本发明涉及金属结构疲劳裂纹实时监测技术领域，具体为一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法，可应用到飞机金属结构实时监测，也可推广应用到航天飞行器、军舰、大型客货船、快速列车、大型桥梁、大型机械装备、核电站、大型发电机组等典型金属结构的健康监控之中。

背景技术

微米传感元是一种应用现代表面技术得到结构功能一体化的功能梯度材料，具有优良的随附损伤特性。因此，可利用该特性综合应变监测原理和电位监测原理对金属结构疲劳裂纹损伤实施全过程原位监测。

微米传感元能够实时、准确地对飞机等大型复杂机械的金属结构进行健康监测。该项技术与目前应用较广泛的损伤传感器如：光纤传感器、声发射传感器、压电材料传感器以及相对真空传感器相比，易于实现与金属结构的一体化设计，能够承受飞机等大型复杂机械金属结构的恶劣工作环境，原理简单、配套设备少，不需要信号转换，也不需要专门的知识解释，综合效费比高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法，能够实现对实际金属结构裂纹从萌生至失稳扩展、直至结构快速断裂的全过程进行监测以及同时对结构多个部位进行疲劳损伤监测。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下。

一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，所述的微米传感元具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层、中层为导电薄膜结构的传感层、顶层为封装保护传感层的保护层，传感元各层的厚度均在微米级，故称微米传感元；微米传感元的形状由置于基体材料上的模板来控制，覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元的宽度根据实际需求进行调整，即传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹长度。

所述的绝缘层是对基体材料表面进行绝缘化处理制得：对于纯铝或铝合金采用常规的阳极氧化工艺在其表面上制备20～25微米厚的Al₂O₃绝缘层；对于其他金属结构材料，采用离子镀膜技术在其表面上沉积0.8～1微米厚的绝缘膜(如AlN膜、Si₃N₄膜或BN膜等)或采用磷化工艺在其表面制备20～30微米的磷化膜。

所述的传感层是在基体材料绝缘层上利用离子镀技术沉积6微米～15微米厚的金属、金属合金或金属化合物导电薄膜，具体处理步骤如下：A1工件预处理，即将制备绝缘层后的工件镀膜部位表面去油，依次采用三氯乙烯溶液超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗，然后烘干；

A2根据金属结构危险部位分布和破坏形式设计制作微米传感元模版(掩模板和遮蔽底板)；

A3将微米传感元掩模板、遮蔽底板与制备了绝缘层的基体材料装卡配置，即：遮蔽底板固定在基体材料上，掩模板上漏出基体材料的部分用于沉积导电薄膜传感层；

A4把固定好的基体材料需要制备微米传感元的工作面正对弧光蒸发源封入离子镀膜机真空室，抽真空至小于0.006Pa；

A5通入氩气，使工作室真空度保持在1Pa左右，对基体加负偏压200V，进行离子轰击清洗10mira

A6调整弧光蒸发源束流和负偏压，具体参数为：弧光蒸发源束流变化范围为30～60A，保持基体负偏压200V；

A7微米传感元传感层导电薄膜采用间歇式沉积，当离子镀膜机真空室温度高于200摄氏度时，关闭弧电源，冷却至温度低于100摄氏度时打开弧电源，继续沉积，累积沉积时间为30～70min；

所述的保护层是用以封闭处理传感层的704有机硅胶薄层或利用离子镀技术沉积的AlN薄膜。

所述的金属结构临界疲劳裂纹长度由疲劳试验后金属结构疲劳断口测量得到。

一种基于所述微米传感元的金属结构疲劳裂纹监测方法，该方法是在金属结构的疲劳危险部位布设微米传感元，连接监测电路，采用阿尔泰USB2828数据采集卡和VICTOR86B数字多用表对微米传感元的输出信号进行全程跟踪记录，分析微米传感元输出信号的变化反推金属结构的裂纹扩展情况。

所述金属结构的疲劳危险部位由有限元分析或疲劳试验获知，具体步骤如下：

B1建立结构有限元模型；

B2定义材料属性；

B3划分网格；

B4建立接触模型；

B5设置边界条件；

B6设置加载方式；

B7有限元模型计算与分析，确定危险部位。

本发明提出的基于微米传感元的金属结构疲劳裂纹在线监测方法实现的有益效果为：

1.本发明通过合理设计微米传感元，基于电位监测的基本原理，在裂纹形成和扩展阶段进行电位检测，实现了对金属结构从塑性变形到疲劳裂纹萌生直至失稳断裂的疲劳损伤全程监测以及对结构多个关键位置的健康状态同时监测。

2.本发明提出的方法：监测灵敏度高，最小可监测到0.5毫米裂纹的生成与扩展过程；功耗比较低，每个传感元所需功率低于0.3毫瓦；原理简单；配套设备少；不需要信号转换，也不需要专门的知识解释；综合效费比高。

3、本发明应用阳极氧化工艺和离子镀技术在结构件表面关键部位制备微米传感元，实现了传感元与金属结构的一体化，并且由于传感元尺寸控制在微米量级，对结构本身的性能与功能无任何不良影响，而且传感元具备优良的力学、化学、热学性能，适用于飞机、航天飞行器、军舰、大型客货船、快速列车、大型桥梁、大型机械装备、核电站、大型发电机组等典型金属结构的疲劳损伤监测。

附图说明

图1为2A12-T4铝合金双孔连接结构图。图中，1单片连接试样；2螺栓；

图2掩模板和遮蔽底板示意图；a掩模板(板厚0.3mm)；b遮蔽底板；

图3微米传感元的形状；图中，3基体；4微米传感元；

图4疲劳裂纹监测的测量电路示意图；图中，5干电池一节(电压1.5V)；6量程为20毫伏的伏特计；7千欧级的电阻；8试样结构表面微米传感元的电阻；

图52A12-T4典型连接件右侧圆孔微米传感元监测数据；

图62A12-T4典型连接件左侧圆孑  微米传感元监测数据；

具体实施方式

下面以2A12-T4铝合金双孔连接结构为例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

对2A12-T4连接件的结构形式和搭接方式进行有限元分析，不难发现其疲劳危险部位出现在单片的圆孔周边。因此，对连接件单片试样的两个圆孔布设微米传感元。在室温、空气环境中，采用MTS810型液压伺服疲劳实验机对2A12-T4铝合金双孔连接件进行疲劳加载，加载参数如下：f＝20Hz、R＝0.03、σ  _max＝150Mpa，持续加载直至试样断裂。观察2A12-T4连接件单片试样疲劳断口，测得试样疲劳扩展区长度小于10mm。将微米传感元传感层的宽度设计为10mm即满足试样疲劳裂纹全过程监测的需求。设计制作如图2所示的微米传感元掩模板和遮蔽底板。

将2A12-T4疲劳拉伸试样，经机械研磨至800#砂纸后，用W2.5金刚石研磨膏抛光。油污不太严重的试样可采取在四氯化碳或三氯乙烯溶剂中短时间浸泡；油污严重的试样应采取用棉纱蘸溶剂揩擦，或用鬃刷刷洗。晾干后，在3.5～9％的氢氧化钠溶液中进行表面清洗，然后采用热水(40℃～60℃)、冷水的二重清洗，其后在V(硝酸)∶V(氢氟酸)为3∶1的溶液中，室温下浸洗50s。然后在27  ℃(最高不超过32℃)的阳极氧化溶液中加电压15V(电压上升时间一般为10～15s)氧化约30min，阳极氧化结束后及时流动水洗。最后采用封闭工艺，在镍离子(1.2～1.4)gdL、氟离子(0.4～0.5)g/L、PH值6.0～7.0的溶液(温度28～32  ℃)中封闭18～25min，从而在2A12-T4铝合金基体上制备出厚度约为10μm、与基体结合良好、致密的Al₂O₃绝缘薄层作为微米传感元的绝缘层。

阳极氧化溶液的配方如下：硫酸H₂SO₄(d＝1.84)45g/L，硼酸H₃BO₃8g/L，溶液用去离子水配制并严格控制各种离子的含量，氯离子＜15mg/L、铁离子＜1mg/L、硫酸根离子＜30mg/L，铝离子＜20g/L，铜离子＜2g/L，铁离子＜Sg/L，氯离子＜0.1g/L。

将制备有绝缘层的2A12-T4铝合金试样与微米传感元模板适配并固定，经预处理(表面去油、三氯乙烯超声清洗5min、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗、烘干)后，放入离子镀膜机的真空室并装卡到卡具上，抽真空至0.006Pa后，通工作气体氩气到真空室内保持压力约1Pa，给工件加负偏压约200伏，进行离子轰击清洗10分钟；弧光蒸发源束流40A，工件加负偏压约200伏，沉积铜膜时间60min，从而沉积得到微米传感元传感层。本实施主要用于验证本方法的可行性，因此并未制备微米传感元保护层。本实施的微米传感元形状如图3所示。该微米传感元由基体1表面的绝缘层和绝缘层上沉积的铜导电膜2构成，微米传感元厚度约为6微米，圆孔周围的宽度约10毫米。

本实施例对制备有微米传感元的2A12-T4铝合金试样进行了疲劳裂纹监测试验，具体实验方法如下：

将试样表面的微米传感元与一个千欧级电阻以及1.5V干电池串联形成闭合回路，并用20毫伏的伏特计测量微米传感元的电压。监测电路如图4所示。

在室温、空气环境中，采用MTS810型液压伺服疲劳实验机对连接件进行疲劳加载，加载参数如下：f＝20Hz、R＝0.03、σ_max＝150Mpa，持续加载直至试样断裂。采用阿尔泰USB2828数据采集卡和VICTOR86B数字多用表对微米传感元的输出信号进行全程跟踪记录，通过分析微米传感元输出信号的变化，能够实现对结构疲劳裂纹萌生、扩展、直至结构快速断裂的全过程实时监测。

本实施例对2A12-T4铝合金连接结构疲劳裂纹的在线监测结果进行说明：

2A12-T4典型连接试样疲劳损伤监测试验中微米传感元的输出信号变化情况，如图5和图6所示。图中每个白点代表一个测量数据，横坐标与试验时间相对应，纵坐标与微米传感元的输出信号相对应，在此对实验数据的坐标轴做了无量纲处理，仅对监测信号的变化趋势进行分析和说明。

图5显示，从给2A12-T4典型连接试样施加载荷直至试样断裂，左侧圆孔微米传感元的监测数据发生了两次阶跃式的突变。分析认为第一次阶跃式上升是由于结构塑性变形的累积造成的，该次阶跃式上升共包括三个测量信号，前后两个监测数据的变化量在6％-7％左右；第二次阶跃式上升则反映了结构中裂纹的萌生，该次阶跃式上升仅包含两个测量信号，前后两个监测数据的变化量超过了20％。因此，在具体应用中，可以用前后两个相邻测量数据的变化程度作为是否输出报警信号的标志。裂纹萌生后，监测数据的波动是比较大的，但总体趋势是在增加的，分析认为这应该是由于裂纹的闭合效应引起的，在循环载荷的作用下，裂纹是一张一合缓慢向前扩展的，当裂纹闭合时，微米传感元的监测数据会表现为减小，当裂纹张开后又表现为增加，但随着裂纹的不断扩展，监测数据的总体变化趋势还是增加的。当试样失稳断裂时，监测数据首先表现为急剧下降，前后两个相邻测量数据变化量在13％到16％之间，然后又直接变为无穷大(因超出测量装置的量程，图中未能显现出来)。这是因为结构刚刚进入裂纹失稳扩展并断裂时，会发生颈缩现象，导致微米传感元局部与基体导通，引起监测数据的急剧下降，完全断裂后，结构变形恢复，微米传感元断路，输出信号变为无穷大。

图6所示的2A12-T4典型连接试样右侧圆孔微米传感元监测数据则要平滑的多，仅在图5所示的监测信号发生第一次阶跃式上升的时点附近发生了输出信号增加，但它的变化过程要明显平滑的多，相邻两个监测数据的变化量仅在1％左右。当试样发生失稳断裂时，该监测信号表现为稍有下降，然后又变为定值。这说明，2A12-T4典型连接试样右侧圆孔主要发生的是塑性变形，试验完成后的观察结果表明，该圆孔附近的确没有出现裂纹。

以上结果表明，基于微米传感元的监测方法能够对金属结构进行有效的疲劳损伤监测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，其特征在于，所述的微米传感元具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层，中层为导电薄膜结构的传感层，顶层为封装保护传感层的保护层；各层的厚度均在微米级；微米传感元的形状由置于基体材料上的模板来控制，微米传感元覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元中传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹长度；所述的绝缘层是对基体材料表面进行绝缘化处理制得：对于纯铝或铝合金采用常规的阳极氧化工艺在其表面上制备20～25微米厚的Al₂O₃绝缘层；对于其他金属结构材料，采用离子镀膜技术在其表面上沉积0.8～1微米厚的绝缘膜或采用磷化工艺在其表面制备20～30微米的磷化膜；所述的保护层是用以封闭处理传感层的704有机硅胶薄层或利用离子镀技术沉积的AlN薄膜。 

2.根据权利要求1所述的微米传感元，其特征在于，所述的传感层是在基体材料绝缘层上利用离子镀技术沉积6微米～15微米厚的金属、金属合金或金属化合物导电薄膜，具体处理步骤如下：A1工件预处理，即将制备绝缘层后的工件镀膜部位表面去油，依次采用三氯乙烯溶液超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗，然后烘干； 

A2根据金属结构危险部位分布和破坏形式设计制作微米传感元模版，包括掩模板和遮蔽底板∶ 

A3将微米传感元掩模板、遮蔽底板与制备了绝缘层的基体材料装卡配置，即：遮蔽底板固定在基体材料上，掩模板上漏出基体材料的部分用于沉积导电薄膜传感层； 

A4把固定好的基体材料需要制备微米传感元的工作面正对弧光蒸发源封入离子镀膜机真空室，抽真空至小于0.006Pa； 

A5通入氩气，使工作室真空度保持在1Pa左右，对基体加负偏压200V，进行离子轰击清洗10min； 

A6调整弧光蒸发源束流和负偏压，具体参数为：弧光蒸发源束流变化范围为30～60A，保持基体负偏压200V； 

A7微米传感元传感层导电薄膜采用间歇式沉积，当离子镀膜机真空室温度高于200摄氏度时，关闭弧电源，冷却至温度低于100摄氏度时打开弧电源，继续沉积，累积沉积时间为30～70mira。 

3.一种基于权利要求1或2所述微米传感元的金属结构疲劳裂纹监测方法，其特征在于，在金属结构的疲劳危险部位布设微米传感元，连接监测电路，采用阿尔泰USB2828数据采集卡和VICTOR86B数字多用表对微米传感元的输出信号进行全程跟踪记录，分析微米传感元输出信号的变化反推金属结构的裂纹扩展情况； 

所述金属结构的疲劳危险部位由有限元分析或疲劳试验获知，具体步骤如下： 

B1建立结构有限元模型； 

B2定义材料属性； 

B3划分网格； 

B4建立接触模型； 

B5设置边界条件； 

B6设置加载方式； 

B7有限元模型计算与分析，确定危险部位。 

Images