CN111442862A

CN111442862A - 一种铝合金结构件的应力动态监测方法

Info

Publication number: CN111442862A
Application number: CN202010333451.2A
Authority: CN
Inventors: 罗朝华; 陈玉红; 蒋俊
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-07-24

Abstract

本申请公开了一种铝合金结构件的应力动态监测方法，包括：(1)将含有力致发光材料、树脂和引发剂的混合物，涂覆在铝合金结构件的表面，固化，形成固化膜；所述力致发光材料中含有力致发光荧光粉；(2)当铝合金结构件受到外力作用时，所述铝合金结构件表面的固化膜发出探测信息，通过所述探测信息，获得所述铝合金结构件的应力监测信息。本申请利用力致发光材料在外力作用下可产生可见光信号的特点，将其涂覆在铝合金结构件外表面，借助CCD等探测器，能通过发光强弱准确、直观呈现出应力的分布情况，为改进结构设计提供依据。

Description

一种铝合金结构件的应力动态监测方法

技术领域

本申请涉及一种铝合金结构件的应力动态监测方法，属于发光材料技术领域。

背景技术

铝合金作为一种结构件，凭借其密度低、强度高等特点，在航空、航天、汽车等领域里都有广泛的应用。在实际使用过程中，由于工况十分复杂，铝合金结构件各部位所承受的力不尽相同，或者说应力是不均匀分布的。因此，为了能够满足结构件的承载要求，在设计结构件的时候往往需要先通过软件模拟出结构件的应力分布情况，再指导结构件的轻量化或加强筋等设计。然而，由于实际工况的复杂多变性，软件模拟与结构件实际承受的应力存在一定差别。此外，结构件在外力作用下都存在失效风险，而失效风险往往起源于表面微裂纹的产生与扩展。这种微裂纹很难被发现，从而错失结构件失效预判的机会，甚至可为整个系统功能丧失带来严重后果。

发明内容

本申请提供了一种铝合金结构件的应力动态监测方法。本申请利用力致发光材料在外力作用下可产生可见光信号的特点，将其涂覆在铝合金结构件外表面，借助CCD探测器，既能通过发光强弱准确、直观呈现出应力的分布情况，为改进结构设计提供依据，此外，还能敏锐地捕捉到裂纹的产生与扩展动态，为结构件失效提前预警。

本申请利用力致发光材料对应力具有响应速度快、发光强度高且可自修复的特点，将其与铝合金结构件复合，再借助于CCD等探测器，可实现铝合金结构件应力分布与微裂纹的动态监测。

根据本申请的一方面，提供了一种铝合金结构件的应力动态监测方法，所述铝合金结构件的应力动态监测方法至少包括：

(1)将含有力致发光材料、树脂和引发剂的混合物，涂覆在铝合金结构件的表面，固化，形成固化膜；所述力致发光材料中含有力致发光荧光粉；

(2)当铝合金结构件受到外力作用时，所述铝合金结构件表面的固化膜发出探测信息，通过所述探测信息，获得所述铝合金结构件的应力监测信息。

可选地，所述力致发光荧光粉包括发光离子和基体；

所述基体选自CaZnOS，ZnGa₂O₄，Li₂MgGe₂O₄、MgGa₂O₄，Ca₂Al₂SiO₇，SrAl₂O₄，ZnS，BaTiO₃,CaTiO₃，Ca₂Nb₂O₇，CaYAl₃O₇、BaSi₂O₂N₂中的至少一种；

所述发光离子选自稀土金属发光离子、过渡金属发光离子中的至少一种。

可选地，所述稀土金属发光离子选自Ce³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Dy³⁺、Tb³⁺、Ho³ ⁺、Eu²⁺中的至少一种；和/或，

所述过渡金属发光离子选自Cu⁺、Cr³⁺、Mn²⁺中的至少一种。

可选地，在力致发光荧光粉中，所述发光离子质量百分含量0.01％～1％。

可选地，所述力致发光荧光粉的粒径为0.1～1000μm。

可选地，所述力致发光荧光粉的粒径为1～100μm。

可选地，所述力致发光荧光粉的粒径上限独立地选自100μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm、5μm，下限独立地选自1μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm、5μm。

可选地，所述力致发光荧光粉在所述混合物中的体积含量为1～80％。

优选地，所述力致发光荧光粉在所述混合物中的体积含量为10～50％。

可选地，所述力致发光荧光粉在所述混合物中的体积含量上限独立地选自80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、5％，下限独立地选自1％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、5％。

进一步优选地，所述力致发光荧光粉在所述混合物中的体积含量为30～50％。

可选地，所述树脂选自光学树脂中的至少一种；

所述光学树脂选自环氧树脂、有机硅树脂、丙烯酸类树脂中的至少一种。

优选地，所述有机硅树脂选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、甲基苯基硅树脂、甲基硅树脂中的至少一种。

优选地，所述丙烯酸类树脂选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

可选地，所述引发剂选自对-双(二甲基-锂氧硅基)苯醚、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、甲基三甲氧基硅烷等硅烷偶联剂中的至少一种。

优选地，所述光学树脂为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

可选地，所述力致发光荧光粉和树脂的质量比为10～50：90～50。

优选地，所述树脂和引发剂的质量比为10～30:1。

可选地，所述固化成膜的条件为：温度为20～100℃；时间为1～10h。

可选地，所述固化成膜的温度上限独立地选自100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、40℃，下限独立地选自20℃、40℃、90℃、80℃、70℃、60℃。

可选地，所述固化成膜的时间上限独立地选自10h、9h、8h、7h、6h、5h、4h、3h、2h，下限独立地选自1h、9h、8h、7h、6h、5h、4h、3h、2h。

可选地，所述步骤(1)至少包括以下步骤：

(1-1)将力致发光材料、树脂和引发剂混合，脱泡，得到所述混合物；

(1-2)将铝合金结构件表面清洗；

(1-3)将步骤(1-1)中得到的混合物涂覆在步骤(1-2)中得到的铝合金结构件表面，20～100℃下固化成膜1～10h。

优选地，所述混合物为浆料。

可选地，在所述步骤(1-3)中，混合物涂覆的厚度为10～500μm。

可选地，混合物涂覆的厚度与膜的厚度是不同的，混合物固化时有收缩，厚度比膜要大些。

可选地，所述固化膜的厚度为1～300μm。

可选地，所述探测信息包括发光强度。

可选地，所述应力监测信息包括表面应力分布信息、裂纹扩展信息、形变中的至少一种。

可选地，在所述步骤(2)中包括：对所述铝合金结构件施加外力作用，外力会传递给力致发光材料，利用探测器探测所述力致发光材料发出的光信号，从而获得所述铝合金结构件的应力监测数据。

可选地，在所述步骤(2)中，施加外力作用于铝合金结构件时，外力会传递给力致发光材料，力致发光材料发出红外光，探测器会检测到红外光，并输出发光强度数据。

可选地，所述通过所述探测信息，获得所述铝合金结构件的应力监测信息包括：

当所述铝合金结构件表面的固化膜表面发光强度不一致时，表明发光强度大的位置，应力集中，裂纹在此位置生成或者裂纹容易在此位置生成；

当所述铝合金结构件表面的固化膜表面发光强度一致时，铝合金结构件表面应力分别均匀，无裂纹。

可选地，所述探测器选自CCD探测器、光谱仪、分光光度计中的任一种。

本身请中，在需要被监测的铝合金结构件周围一定距离放置一台CCD探测器，用于实时观察结构件表面发光强度的变化，并判断是否有裂纹产生。

可选地，在所述步骤(1-2)中，将铝合金结构件表面清洗后还需要干燥。

可选地，所述固化成膜的温度为60～80℃；时间为2～3h。

可选地，在所述步骤(1-1)中，所述混合选自球磨、机械搅拌、人工搅拌中的任一种。

优选地，在所述步骤(1-1)中，脱泡在真空状态下进行，以便气泡顺利从浆料中排出。

可选地，所述真空脱泡的条件为：真空度为10～1000Pa，脱泡时间为5～60min。

可选地，在步骤(1-3)中，所述涂覆选自刷涂或喷涂。

可选地，所述步骤(1-3)包括：将步骤(1-1)中得到的浆料涂覆在步骤(1-2)中得到的铝合金结构件表面，放置在烘箱或马弗炉中，50～100℃下固化成膜1～10h，使浆料凝固并与铝合金结构件表面形成强的结合力。

可选地，在本申请中，为保证力致发光材料与铝合金结构件表面有良好的结合能力，结构件表面应保持干净与干燥。

可选地，所述步骤(1-1)中得到的浆料粘度为100～10000cp。

优选地，所述步骤(1-1)中得到的浆料粘度为3000～10000cp。

可选地，所述步骤(1-1)中得到的浆料粘度上限独立地选自10000cp、8000cp、6000cp、4000cp，下限独立地选自3000cp、8000cp、6000cp、4000cp。

可选地，所述表面清洗包括表面去污、超声波水清洗、有机溶剂清洗步骤。

可选地，所述表面去污可用工业清洁剂等能够除去油渍的去污剂。

可选地，所述有机溶剂选自丙酮、乙醇、甲苯、二氯甲烷、四氯化碳中的至少一种。

可选地，本申请中的树脂与铝合金结构件表面结合力强，固化后具有一定弹性，而且能将外力有效传递给力致发光荧光粉。

可选地，在所述步骤(1-3)中，浆料涂覆的厚度为10～1000μm。

可选地，在所述步骤(1-3)中，浆料涂覆的厚度为10～300μm。

可选地，在所述步骤(1-3)中，浆料涂覆的厚度上限独立地选自300μm、250μm、200μm、150μm、100μm、50μm、30μm，下限独立地选自10μm、250μm、200μm、150μm、100μm、50μm、30μm。

在本申请中，固化成膜以后，会在铝合金结构件表面形成力致发光薄膜，所述力致发光荧光粉均匀分布在所述树脂中。

在本申请中，为了使力致发光薄膜厚度增加至所需厚度且涂覆均匀，可重复操作(1-3)步骤。

本申请可通过CCD探测器，对铝合金结构件表面进行动态监测，将铝合金结构件表面的发光情况实时记录下来，通过发光强度的不同，直观的看出裂纹产生的位置及应力集中情况。

本申请能产生的有益效果包括：

(1)本申请利用力致发光材料在外力作用下可产生可见光信号的特点，将其涂覆在铝合金结构件外表面，借助CCD等探测器，可通过发光强弱准确、直观呈现出应力的分布情况；

(2)本申请还可以探测到肉眼难以发现的微裂纹，为结构件的裂纹断裂失效预判提供了重要的依据。

附图说明

图1是本发明中所述的力致发光薄膜示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和溶剂均通过商业途径购买。

本申请实施例中的荧光波长采用海洋光学公司光谱仪(型号QE65-Pro)测试。

本申请实施例中的CCD探测器型号为Hamamatsu FFT-CCD。

本申请中使用的铝合金结构件为铝合金轮毂、铝合金发动机。

本申请实例中的清洗步骤包括：先用工业清洁剂清洗表面油污，然后将样品放入超声波清洗池中清除表面附着牢固的污渍，最后再用工业乙醇清洗、晾干。

本发明中的力致发光薄膜示意图如图1所示，由图可以看出，具有力致发光性能的荧光粉均匀分布在光学树脂中。

本申请实施例中的力致发光荧光粉根据文献(Journal of Luminescence，99(4),2002,325-334)中的方法制备得到。

实施例1

本实施例中，具体实施步骤如下：

(1)按重量比为1:3:0.3分别称量ZnS:Cu²⁺荧光粉、PDMS与引发剂对-双(二甲基-锂氧硅基)苯醚，总重量为50g，在研钵中手动研磨混合不低于30min；

(2)把浆料倒入敞口容器中并放置在真空装置中脱泡。真空装置的真空度为100Pa，脱泡时间为30min。

(3)将浆料均匀刷涂在铝合金轮毂表面，浆料厚度控制在10μm左右；

(4)刷涂完成后，将轮毂放置在干净的地方，在室温下让树脂固化，固化时间为5h，得到均匀涂覆有力致发光薄膜的铝合金轮毂结构件。

当轮毂受力作用时，使用光谱仪对铝合金轮毂表面发出的黄色荧光进行测试，荧光波长范围为450-550nm。

同时在轮毂周围放置一台CCD探测器，对轮毂表面发光情况进行监控，可根据发光强度清楚地看出轮毂表面发生裂纹的位置及应力集中的位置。

实施例2：

本申请与实施例1相比，将ZnS:Cu²⁺荧光粉换成CaZnOS:Mn²⁺荧光粉，光学树脂PDMS对力致发光荧光粉的质量比例保持为3:1，引发剂与PDMS质量比例为1:10。制备方法与对比例1基本相同，区别在于步骤(3)与(4)循环重复两次，使力致发光薄膜厚度增加至500μm，而且更加均匀。

与对比例1不同，当轮毂受力作用时，其表面的力致发光薄膜将发出红色的荧光，荧光波长范围为600-700nm。

实施例3：

具体实施步骤如下：

(1)按重量比为1:5:0.5分别称量BaSi₂O₂N₂:Eu²⁺荧光粉、PDMS与引发剂对-双(二甲基-锂氧硅基)苯醚，总重量为50g，在研钵中手动研磨混合不低于30min；

(3)将浆料装入喷枪中均匀喷涂在铝合金车架表面，浆料厚度控制在100μm左右；

当轮毂受力作用时，其表面的力致发光薄膜将发出黄绿色荧光，荧光波长范围为450-550nm。

实施例4：

具体实施步骤如下：

(1)按重量比为1:5:0.5分别称量SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺荧光粉、PMMA与引发剂甲基三乙氧基硅烷，总重量为50g，在研钵中手动研磨混合不低于30min；

(3)将浆料装入喷枪中均匀喷涂在铝合金车架表面，浆料厚度控制在200μm左右；

当轮毂受力作用时，其表面的力致发光薄膜将发出绿色荧光，荧光峰位在520nm附近。

实施例5：

具体实施步骤如下：

(1)按重量比为1:5:0.5分别称量LiGa₅O₈:Pr³⁺荧光粉、PMMA与引发剂甲基三乙氧基硅烷，总重量为50g，在研钵中手动研磨混合不低于30min；

(3)将浆料装入喷枪中均匀喷涂在铝合金发动机表面，浆料厚度控制在100μm左右；

当轮毂受力作用时，其表面的力致发光薄膜将发出近红外荧光，荧光光谱位于825-1150nm范围。

实施例6：

具体实施步骤如下：

(1)按重量比为1:5:0.5分别称量Li₂MgGe₂O₄:Mn²⁺荧光粉、PDMS与引发剂甲基三丁酮肟基硅烷，总重量为200g，球磨混合不低于30min；

(4)刷涂完成后，将铝合金发动机放置在干净的地方，在室温下让树脂固化，固化时间为5h，得到均匀涂覆有力致发光薄膜的铝合金轮毂结构件。

当铝合金发动机受力作用时，其表面的力致发光薄膜将发出紫色荧光，荧光光谱位于500-600nm范围。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims

1.一种铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述铝合金结构件的应力动态监测方法至少包括：

2.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述力致发光荧光粉包括发光离子和基体；

所述基体选自CaZnOS、ZnGa₂O₄、LiGa₅O₈、Li₂MgGe₂O₄、MgGa₂O₄、Ca₂Al₂SiO₇、SrAl₂O₄、ZnS、BaTiO₃、CaTiO₃、Ca₂Nb₂O₇、CaYAl₃O₇、BaSi₂O₂N₂中的至少一种；

3.根据权利要求2所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述稀土金属发光离子选自Ce³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Dy³⁺、Tb³⁺、Ho³⁺、Eu²⁺中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述树脂选自光学树脂中的至少一种；

所述光学树脂选自环氧树脂、有机硅树脂、丙烯酸类树脂中的至少一种；

优选地，所述有机硅树脂选自聚二甲基硅氧烷、甲基苯基硅树脂、甲基硅树脂中的至少一种；

优选地，所述丙烯酸类树脂选自聚甲基丙烯酸甲酯。

5.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述引发剂选自对-双(二甲基-锂氧硅基)苯醚、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三丁酮肟基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、甲基三甲氧基硅烷等硅烷偶联剂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述力致发光荧光粉和树脂的质量比为10～50：90～50；

优选地，所述树脂和引发剂的质量比为10～30:1。

7.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述固化成膜的条件为：温度为20～100℃；时间为1～10h。

8.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述步骤(1)至少包括以下步骤：

(1-2)将铝合金结构件表面清洗；

9.根据权利要求8所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，在所述步骤(1-3)中，混合物涂覆的厚度为1～500μm。

10.根据权利要求1所述的铝合金结构件的应力动态监测方法，其特征在于，所述探测信息包括发光强度；

优选地，所述应力监测信息包括表面应力分布信息、裂纹扩展信息、形变中的至少一种；

优选地，在所述步骤(2)中包括：对所述铝合金结构件施加外力作用，外力会传递给力致发光材料，利用探测器探测所述力致发光材料发出的光信号，从而获得所述铝合金结构件的应力监测数据；

优选地，所述通过所述探测信息，获得所述铝合金结构件的应力监测信息包括：

当所述铝合金结构件表面的固化膜表面发光强度一致时，铝合金结构件表面应力分别均匀，无裂纹；

优选地，所述探测器包括CCD探测器。