[发明专利]带有薄膜传感器的构件及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料及传感技术领域。 

背景技术

即使在信息化时代的今天，结构材料仍然是各种大型工程、机械及运载工具的主体，结构材料在服役过程中不可避免地产生疲劳、损伤、断裂乃至破坏，并严重危害人民生命财产安全，因此，须对其结构健康状态进行全寿命周期监测。结构健康监测对航空/航天飞行器的意义尤为重大，在哥伦比亚空难后，NASA就开始在现役三艘飞船中引入结构健康监测系统，Boeing公司也计划在新的7E7飞机中引入全寿命周期健康监测系统。目前我国正在发展大飞机，对飞机健康监测非常必要，而根据统计：70%左右的飞机事故均来源于发动机叶片疲劳断裂，因此，对发动机叶片应变的监测是飞机健康监测的重点。 

从结构健康监测可靠性的角度看，理想的方案是：将传感器永久性地埋入结构件中并与结构件形成一个整体。集成有光纤传感器的智能材料与结构应运而生，人们将光纤通过复合的方式埋入纤维增强复合材料中，可实现对飞机机翼的全寿命周期监测^[5]；在混凝土施工过程中将光纤传感器埋入大坝、桥墩等中，可实现对大型工程健康状态的监测。然而，要将光纤埋入飞机发动机叶片、燃汽轮机叶片等金属结构件中则非常困难，因此，必须发展新的技术，以实现对金属结构件的健康监测。 

除光纤传感器外，压阻传感器和压电传感器也是常用的结构监测传感器，压阻传感器通过测量应变作用下阻值的变化来反映结构件的应力/应变状况，压电传感器通过产生并接收Lamb/Rayleigh波监测结构件中缺陷和损伤的发展过程。虽然，压阻/压电传感器的应用已经涵盖了航空/航天、大型机械装置、民用建筑等诸多领域，然而，目前均是将压阻/压电传感器粘贴在结构件表面，一方面，随着环境和时间的变化，粘接层往往会失效，从而影响其监测的可靠性；另一方面，由于航空发动机叶片、燃汽轮机叶片等金属结构件都是工作在高温、高压、强冲击等恶劣环境中，无法采用粘贴方式实现对其结构健康状态的监测，因此，到目前为止还没有可靠方法监测工作在高温恶劣环境下的金属结构件健康状况。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种带有薄膜传感器的构件及制备方法，能够可靠的实现对高温恶劣环境下的构件，特别是金属结构件进行健康监测。 

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，带有薄膜传感器的构件，其特征在于，所述薄膜传感器以沉积或涂覆的形式设置在构件表面。 

进一步的，所述薄膜传感器自构件表面向外依次包括缓冲层、绝缘层、敏感层、防护层；所述缓冲层用于提供高附着力，所述绝缘层用于实现薄膜传感器与金属结构件之间的电隔离；所述敏感层用于实现传感功能；所述防护层用于对敏感层提供防护。 

所述缓冲层包括对缓冲层材质热处理形成的氧化层，所述防护层包括对敏感层材质热处理形成的钝化层。 

更进一步的，所述构件为Ni基高温合金构件，所述缓冲层包括NiCrAlY合金层和Al₂O₃氧化层；所述绝缘层材质为Al₂O₃，所述敏感层材质为TaN，所述防护层包括材质为Ta₂O₅的钝化层、YSZ薄膜层和NiCrAlY热障层；各层顺序自构件表面向外依次为NiCrAlY合金层、Al₂O₃氧化层、敏感层、Ta₂O₅钝化层、YSZ薄膜层、NiCrAlY热障层。 

或者，所述构件为不锈钢基材构件，所述缓冲层包括NiCrSi合金层和SiO₂氧化层；所述绝缘层材质为SiO₂，所述敏感层为NiCrSi敏感薄膜，所述防护层包括材质为Si₃N₄的钝化层、和Si₃N₄薄膜层；各层顺序自构件表面向外依次为NiCrSi合金层、SiO₂氧化层、SiO₂绝缘层、NiCrSi敏感薄膜、Si₃N₄钝化层、Si₃N₄薄膜层。 

本发明的带有薄膜传感器的构件的制备方法包括下述步骤： 

1）制作传感器器件平面图形的热剥离胶片，并将该器件贴在构件表面； 

2）在带有传感器器件图形的工件涂覆光刻胶；