CN104233185A - 一种基于pvd的传感元与金属基体的一体化集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其包括以下步骤：1将金属基底放入PVD镀膜仪腔室，抽真空至小于6×10-3Pa；2向PVD镀膜仪腔室中通入惰性气体，至PVD镀膜仪腔室的真空度在0.3～1.3Pa为止；3对金属基体加负偏压100～300V，对金属基体进行惰性气体轰击清洗5～20min；4对金属基体加负偏压60～150V，以金属为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至50～80A，镀膜30～80min，在金属基体表面形成传感元膜层；5随炉冷至100℃以下，取出金属基体即可。通过该方法集成的PVD传感元结合强度高、耐磨损、耐腐蚀，能适应金属基体的工作环境，与金属基体同寿。
Description
技术领域
本发明涉及金属结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于PVD(物理气相沉积)的传感元与金属基体的一体化集成方法。
背景技术
金属结构是应用最为广泛的主承力结构，一旦发生损伤，往往会造成灾难性的后果。因此，金属结构健康监测在现代结构健康监控中所占的重要地位是毋庸置疑的。尽管现代结构健康监控技术经过30多年的发展，已经取得了长足的进步，但仍未能比较完善的解决金属结构的健康监测问题，其中一个亟待突破的瓶颈就是传感元件与金属结构基体的一体化集成问题。
根据传感器布置位置和方式的不同，目前国内外有关传感器与结构一体化集成的方式方法大致可以分为以下几类：
(1)埋入式
埋入式集成方式最明显的特征是传感器置于结构内部，主要适用于复合材料结构，因为复合材料结构是多层结构，传感器可以方便的集成在层与层之间，实现对结构损伤的在线实时监测。采用埋入式集成方式的传感器主要包括：光纤传感器、压电传感器、超声传感器等。
埋入式集成方式的优点是传感器与基体一体化集成程度高，可以实现原位监测；缺点则是传感器不易更换。对于金属结构来说，因为 一般是高温熔铸而成，伴随着几千度的高温，且内部无明显分层，所以不适用该集成方式。
(2)粘贴式
粘贴式是指通过各种粘接剂将传感器粘贴到结构的表面，实现一体化集成。粘贴式是应用时间最早、范围最广的传感器集成方式，应变片、压电传感器、声发射、超声传感器、涡流传感器等各类传感器均可应用该方式，澳大利亚结构监测系统(SMS)公司开发的相对真空传感器(CVM-Comparative Vacuum Monitoring sensor)、西安交通大学研发的“信息智能涂层”均采用了此种方式。
粘贴式集成方式最大的优点是简单易行，适用范围广。其存在的主要问题包括：难以保证胶层厚度均匀，容易引起测量误差；耐久性有待提高，因为粘接剂大多是高分子有机材料，性能受温度、湿度变化影响较大，老化问题严重，寿命较短，大多只有几年，有的甚至更短，而金属结构的服役时间长达几十年，且服役期间要承受高低温、湿热、腐蚀、磨损等恶劣的工作环境作用，因此在提高粘贴式集成方式的可靠性、耐久性方面，目前仍有许多工作要做。
(3)机械夹持式
机械夹持式集成方式主要是指通过螺栓/螺母、夹板、搭接结构等通过夹持力的作用将传感器与监测结构集成在一起。比如PZT智能垫片、美国JENTEK公司开发的MWM-Array传感器等，均是采用的此种方式。
机械夹持式集成方式的主要优点是可靠性高，传感器可以长时间原位监测。然而，该方式对传感器的要求比较高，必须要能承受夹持载荷的作用,并要有一定的耐磨损性能。为了保护传感器，通常要为传感器配备结实的外壳，要求必须要有一定的空间来满足装配尺寸的要求。所以这种方式的适用范围有限。
(4)非接触式
有些传感器可以不直接和结构相连接,实现非接触测量，如激光振动仪、剪切应力仪、涡流、激光超声、红外热谱仪、摄像仪等。因此，不存在传感器与基体结构的一体化集成问题。这类传感器通常安装在固定支架上的，而这个固定支架则必须与要监测的结构装配在一起或者是装配到被监测结构的附近，才能实现应用该传感器对结构热点部位的在线监测。所以，这类传感器的集成问题主要是指传感器的固定支架与结构本身的集成问题，同样面临装配尺寸的问题。
总而言之，传感元件与金属基体的一体化集成是实现金属结构健康监测的前提与基础，探索和研究可靠的传感元件与金属基体的一体化集成技术，在不损伤金属结构原有性能、不影响结构原始装配尺寸的前提下，实现传感元件与金属结构的一体化集成，对于金属结构健康监控技术研究意义重大。
发明内容
发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，本发明的目的在于提供一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成 方法，在不损伤金属结构原有性能、不影响结构原始装配尺寸的前提下，实现传感元件与金属结构的一体化集成。
技术方案：一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤：
(1)将金属基底放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至小于6×10-3Pa；
(2)通过针阀向所述PVD镀膜仪的腔室中通入惰性气体，至所述PVD镀膜仪的腔室的真空度在0.3～1.3Pa为止；
(3)对所述金属基体加负偏压100～300V，对所述金属基体进行惰性气体轰击清洗5～20min；
(4)对步骤(3)所述金属基体加负偏压60～150V，以传感元材质金属为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至50～80A，进行PVD镀膜30～80min，在步骤(3)所述金属基体表面形成传感元膜层；
(5)随炉冷至100℃以下，取出步骤(4)所述金属基体即可。
作为本发明中基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法的一种优选方案：所述金属基底是经过表面绝缘化处理的金属工件。
作为本发明中基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法的一种优选方案：步骤(1)将金属基底放入PVD镀膜仪的腔室之前，所述金属基底需要预处理，所述预处理包括以下步骤：
(1)利用肥皂和清水将所述金属基底去油；
(2)将所述金属基底放入三氯乙烯中超声清洗；
(3)将所述金属基底放入液态氟利昂中超声清洗；
(4)将所述金属基底放入清水超声清洗；
(5)将所述金属基底放入去离子水超声清洗；
(6)将所述金属基底放入烘箱烘干。
作为本发明中基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法的一种优选方案：步骤(1)所述抽真空包括以下步骤：
(11)关闭高阀，打开前级阀，用机械泵抽真空至20Pa；
(12)扩散泵通冷却水，并打开扩散泵，所述扩散泵加热至少40min；
(13)将真空抽气系统的气路阀门调至前级/高阀处，并打开所述高阀，使用所述扩散泵进一步抽真空，直到PVD镀膜仪的腔室的真空度小于6×10-3Pa为止。
作为本发明中基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法的一种优选方案：步骤(3)所述靶材为黄铜、铝、银、镁、不锈钢、钛中的一种或几种。
作为本发明中基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法的一种优选方案：步骤(3)所述的传感元膜层的厚度为2～8μm。
有益效果：本发明提出的基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)不需要粘结剂和夹持装置，通过PVD技术实现传感元与金属基体的一体化集成；
(2)PVD传感元与金属基体的一体化集成过程，不会对金属基体本身的性能与功能产生任何不良影响；
(3)通过该方法集成的PVD传感元结合强度高，寿命长，能够承受载荷、耐磨损、耐腐蚀，能适应金属基体的工作环境，与金属基体本身同寿。
(4)PVD传感元前后金属基体的疲劳寿命无明显变化，对折弯曲100次以上PVD传感元不鼓泡、不脱落，耐盐雾试验超过200小时。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
具体实施例1
一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤：
(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金(即金属基体)放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至6×10-3Pa；
上述铝合金的表面绝缘化处理包括以下步骤：
(a)将试样用砂纸研磨至800号后，采用四氯化碳、三氯乙烯等有机溶剂进行清洗，然后晾干；
(b)50～70℃条件下在3.5％～9％的氢氧化钠溶液中进行碱腐蚀3～10分钟；
(c)碱蚀后的试样采用热水(40℃～60℃)、冷水的二重清洗，其后室温下在300g/L～400g/L硝酸(1.42×103kg/m3)溶液中浸洗3～5min；
(d)在50g/L～60g/L之间浓度的铬酸溶液中，在3min内由0V升至20V，保持阳极电流密度0.5～0.8A/dm2、温度35℃±2℃至表面绝缘化结束(氧化时间应根据所需膜厚来确定，但不宜超过60min)；表面绝缘化结束后应及时水洗；
(e)采用可溶性固体总量不超过100mg/L、CrO3≥3.0×10-5、PH值为3.2～4.5的稀铬酸进行封闭，温度90℃～96℃；时间8min～12min；
(f)将工件用去离子水清洗，并吹干。
(2)通过针阀向PVD镀膜仪的腔室中通入氩气，至离子溅射PVD镀膜仪的腔室的真空度在0.3Pa为止；
(3)对经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压300V，对经过表面绝缘化处理的铝合金进行氩气轰击清洗20min；
(4)对步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压60V，以黄铜为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至50A，进行PVD镀膜80min，在步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金表面形成厚度为6μm左右的黄铜传感元膜层；
(5)随炉冷至100℃，取出步骤(4)经过表面绝缘化处理的铝合金即可。
本实施例中，步骤(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入PVD镀膜仪的腔室之前，经过表面绝缘化处理的铝合金需要预处理，预处理包括以下步骤：
(1)利用肥皂和清水将经过表面绝缘化处理的铝合金去油；
(2)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入三氯乙烯中超声清洗；
(3)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入液态氟利昂中超声清洗；
(4)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入清水超声清洗；
(5)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入去离子水超声清洗；
(6)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入烘箱烘干。
本实施例中，步骤(1)抽真空包括以下步骤：
(11)关闭高阀，打开前级阀，用机械泵抽真空至20Pa；
(12)扩散泵通冷却水，并打开扩散泵，扩散泵加热40min；
(13)将真空抽气系统的气路阀门调至前级/高阀处，并打开高阀，使用扩散泵进一步抽真空，直到PVD镀膜仪的腔室的真空度6×10-3Pa为止。
具体实施例2
一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤：
(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至5×10-3Pa；
上述铝合金的表面绝缘化处理的步骤与具体实施例1相同；
(2)通过针阀向PVD镀膜仪的腔室中通入氦气，至PVD镀膜仪的腔室的真空度在1.3Pa为止；
(3)对经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压100V，对经过表面绝缘化处理的铝合金进行氦气轰击清洗5min；
(4)对步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压150V，以银为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至80A，进行PVD镀膜30min，在步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金表面形成厚度为8μm的银传感元膜层；
(5)随炉冷至90℃，取出步骤(4)经过表面绝缘化处理的铝合金即可。
本实施例中，步骤(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入PVD镀膜仪的腔室之前，经过表面绝缘化处理的铝合金需要预处理，预处理包括以下步骤：
(1)利用肥皂和清水将经过表面绝缘化处理的铝合金去油；
(2)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入三氯乙烯中超声清洗；
(3)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入液态氟利昂中超声清洗；
(4)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入清水超声清洗；
(5)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入去离子水超声清洗；
(6)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入烘箱烘干。
本实施例中，步骤(1)抽真空包括以下步骤：
(11)关闭高阀，打开前级阀，用机械泵抽真空至20Pa；
(12)扩散泵通冷却水，并打开扩散泵，扩散泵加热50min；
(13)将真空抽气系统的气路阀门调至前级/高阀处，并打开高阀，使用扩散泵进一步抽真空，直到PVD镀膜仪的腔室的真空度5×10-3Pa为止。
具体实施例3
一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤：
(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至4×10-3Pa；
上述铝合金的表面绝缘化处理步骤与具体实施例1相同；
(2)通过针阀向PVD镀膜仪的腔室中通入氖气，至PVD镀膜仪的腔室的真空度在1Pa为止；
(3)对经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压200V，对经过表面绝缘化处理的铝合金进行氖气轰击清洗10min；
(4)对步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金加负偏压100V，以镁为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至60A，进行PVD镀膜50min，在步骤(3)经过表面绝缘化处理的铝合金表面形成厚度为2μm的镁传感元膜层；
(5)随炉冷至80℃，取出步骤(4)经过表面绝缘化处理的铝合金即可。
本实施例中，步骤(1)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入PVD镀膜仪的腔室之前，经过表面绝缘化处理的铝合金需要预处理，预处 理包括以下步骤：
(1)利用肥皂和清水将经过表面绝缘化处理的铝合金去油；
(2)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入三氯乙烯中超声清洗；
(3)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入液态氟利昂中超声清洗；
(4)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入清水超声清洗；
(5)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入去离子水超声清洗；
(6)将经过表面绝缘化处理的铝合金放入烘箱烘干。
本实施例中，步骤(1)抽真空包括以下步骤：
(11)关闭高阀，打开前级阀，用机械泵抽真空至20Pa；
(12)扩散泵通冷却水，并打开扩散泵，扩散泵加热60min；
(13)将真空抽气系统的气路阀门调至前级/高阀处，并打开高阀，使用扩散泵进一步抽真空，直到PVD镀膜仪的腔室的真空度4×10-3Pa为止。
具体实施例4
与具体实施例1大致相同，区别在于：
1、步骤(2)中的惰性气体为氪气；
2、步骤(4)中的靶材为铝。
具体实施例5
与具体实施例1大致相同，区别在于：步骤(4)中的靶材为钛和不锈钢。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤：
(1)将金属基底放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至小于6×10-3Pa；
(2)通过针阀向所述PVD镀膜仪的腔室中通入惰性气体，至所述PVD镀膜仪的腔室的真空度在0.3～1.3Pa为止；
(3)对所述金属基体加负偏压100～300V，对所述金属基体进行惰性气体轰击清洗5～20min；
(4)对步骤(3)所述金属基体加负偏压60～150V，以传感元材质金属为靶材，启动弧电源，起弧并调整弧电流至50～80A，进行PVD镀膜30～80min，在步骤(3)所述金属基体表面形成传感元膜层；
(5)随炉冷至100℃以下，取出步骤(4)所述金属基体即可。
2.如权利要求1所述的一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其特征在于，所述金属基底是经过表面绝缘化处理的金属工件。
3.如权利要求1所述的一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其特征在于，步骤(1)将金属基底放入PVD镀膜仪的腔室之前，所述金属基底需要预处理，所述预处理包括以下步骤：
(1)利用肥皂和清水将所述金属基底去油；
(2)将所述金属基底放入三氯乙烯中超声清洗；
(3)将所述金属基底放入液态氟利昂中超声清洗；
(4)将所述金属基底放入清水超声清洗；
(5)将所述金属基底放入去离子水超声清洗；
(6)将所述金属基底放入烘箱烘干。
4.如权利要求1所述的一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其特征在于，步骤(1)所述抽真空包括以下步骤：
(11)关闭高阀，打开前级阀，用机械泵抽真空至20Pa；
(12)扩散泵通冷却水，并打开扩散泵，所述扩散泵加热至少40min；
(13)将真空抽气系统的气路阀门调至前级/高阀处，并打开所述高阀，使用所述扩散泵进一步抽真空，直到PVD镀膜仪的腔室的真空度小于6×10-3Pa为止。
5.如权利要求1所述的一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其特征在于，步骤(4)所述靶材为黄铜、铝、银、钛、不锈钢、镁中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，其特征在于，步骤(4)所述的传感元膜层的厚度为2～8μm。
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2014
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