[发明专利]一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法

说明书

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：