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耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

更新时间：2020-01-03 15:41:16 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：薄膜传感器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

现有裂纹监测技术多存在耐久性差、虚警率高的问题。以物理气相沉积(PVD)薄膜传感器为研究对象,提出了提高其耐久性的方案,并检验了其在耦合服役环境下的监测性能。首先,选定了Cu作为使传感器耐久性最佳的导电传感层沉积材料,并采用离子镀氮化铝(AlN)薄膜和涂覆705硅胶对PVD薄膜传感器进行了封装保护;然后,综合考虑服役环境因素,编制加速环境谱,将经过封装的制备有薄膜传感器的试验件进行环境耦合加速试验;最后,对环境试验后的薄膜传感器开展疲劳裂纹监测试验,并将薄膜传感器监测结果与显微镜观察测量结果进行对比。试验结果表明:薄膜传感器能承受1 000h严酷环境的考验,具有较高的耐久性和稳定性;环境试验后的薄膜传感器对裂纹变化敏感,PVD薄膜传感器的监测结果与基体裂纹扩展的实测信息相一致,PVD薄膜传感器的电位监测信号可以作为裂纹扩展状态和结构损伤程度的监测判据,PVD薄膜传感器可以实现对金属结构裂纹的定量监测,监测精度可达到1mm。

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航

空

学

报

ꢀ

Ｍａｒ．２５２０１８Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３

ꢀ

／

ＩＳＳＮ１０００６８９３ＣＮ１１１９２９Ｖ

ꢀ ꢀ ꢀ －

－

ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ

ꢀ

：

ｈｔｔ／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｋｘｂｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ

＠

ꢀ

ｐ

：，，

引用格式崔荣洪刘凯侯波

，

［］

航空学报

Ｊ．

，

（）：

，

２０１８３９３４２１５３５．ＣＵＩＲＨ

ꢀꢀ

等

耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

．

，

［］

ＬＩＵＫＨＯＵＢｅｔａｌ．ＣｒａｃｋｍｏｎｉｔｏｒｉｎｂａｓｅｄｏｎｈｉｈｄｕｒａｂｉｌｉｔｆｉｌｍｓｅｎｓｏｒｉｎｃｏｕｌｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＪ．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ －

ꢀ

ｇ

ꢀ

ｇ

ｙ

ꢀ

ｐ

，，（）：（）：／

ｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ２０１８３９３４２１５３５ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ．ｄｏｉ１０．７５２７Ｓ１０００６８９３．２０１７．４２１５３５

－

ꢀ

耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

，

１

＊

１

，

崔荣洪

２

，

侯波

１

，

谭翔飞何宇廷

１

，

刘凯

，

空军工程大学航空航天工程学院西安

１．

７１００３８

ꢀ

，

陆军航空兵研究所北京

２．

１０１１２１

ꢀ

：

、。

现有裂纹监测技术多存在耐久性差虚警率高的问题以物理气相沉积

（），

薄膜传感器为研究对象提出了

ＰＶＤ

摘

要

ꢀ

，。，

提高其耐久性的方案并检验了其在耦合服役环境下的监测性能首先选定了

作为使传感器耐久性最佳的导电传

Ｃｕ

，

感层沉积材料并采用离子镀氮化铝

（）

薄膜和涂覆

ＡｌＮ

；，

薄膜传感器进行了封装保护然后综合考虑服

ＰＶＤ

硅胶对

７０５

，，；，

役环境因素编制加速环境谱将经过封装的制备有薄膜传感器的试验件进行环境耦合加速试验最后对环境试验后的

，。：

薄膜传感器开展疲劳裂纹监测试验并将薄膜传感器监测结果与显微镜观察测量结果进行对比试验结果表明薄膜传

，；

严酷环境的考验具有较高的耐久性和稳定性环境试验后的薄膜传感器对裂纹变化敏感

，

ＰＶＤ

感器能承受

薄

１０００ｈ

ꢀ

，

ＰＶＤ

膜传感器的监测结果与基体裂纹扩展的实测信息相一致

薄膜传感器的电位监测信号可以作为裂纹扩展状态和结

，

ＰＶＤ

，

薄膜传感器可以实现对金属结构裂纹的定量监测监测精度可达到

。

１ｍｍ

构损伤程度的监测判据

：；；；；；

关键词裂纹监测薄膜传感器耦合环境耐久性加速试验疲劳损伤

：；

Ｖ２１５．６ＴＰ２１２．１

ꢀꢀꢀ

：

Ａ

：

文章编号

１０００６８９３２０１８０３４２１５３５１０

ꢀꢀꢀ

（

）

中图分类号

文献标识码

－

，

在飞机使用过程中由于各种载荷和环境条

，

且金属结构自身服役年限长这些传感器的稳定

ꢀꢀ

，

件的作用金属结构的结构强度和刚度会逐渐降

。，

性和耐久性往往难以满足要求因此提升传感

，、、，

低出现疲劳腐蚀磨损等多种形式的损伤从而

，

器在恶劣服役环境下的稳定性和耐久性是裂纹

，

导致结构失效其中疲劳裂纹损伤是金属结构在

。

监测技术工程化应用的重点难点

［］

１１

［］

１

。

、、

因具有原理简单准确性高

电位监测法

服役过程中最直接和终极的损伤模式

对机体

。

、

适用于复杂环境等特点近几年来被广泛使用

何

主要承载结构和重要部件进行裂纹监测是防止

［

］

１２

宇廷等设计了一种基于电位法的裂纹监测传

减少安全隐患和灾难性事故发生的一种重要

［］

２

。

，

感器并通过对传感器有限元模型的输出特性分

手段

［］

１３

，

析验证了该方案的可行性

。

Ｂｅｈｎａｍ

，

目前国内外的飞机结构裂纹监测中所应用

等

通过

［

］

３６

、

－

在铝合金表面涂覆纳米环氧树脂薄膜传感器实现

的传感器主要包括光纤传感器

涡流传感

［］

７

、

［］

８

、

［］

９

、

，

了对金属裂纹的监测分析了在不同载荷下传感

器

声发射传感器

压电薄膜传感器

相对

［］

１０

［］

１４

。

器的灵敏性侯波等提出了一种基于

。

，，

然而在实际应用当中大多

／

ＴｉＴｉＮ

真空传感器

等

、

数已有的裂纹监测技术多存在精确性低耐久性

，

薄膜的结构裂纹监测方案并验证了传感器与基

、。，

差虚警率高等问题同时飞机金属结构往往工

，。

体的损伤一致性并进行了裂纹监测试验以上

、、、

作在电磁干扰振动腐蚀高低温等复杂环境中

，

研究表明将电位法与现代表面工程技术结合起

：

；

：

；

：

；

：：

网络出版时间

２０１７１００９１４５５

－－ ꢀ

收稿日期

退修日期

录用日期

２０１７０６２０

－－

２０１７０７３１

－－

２０１７０９０４

－－

：：／／／／／

ｈｔｔｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎＣＮｈｔｍｌ２０１８０３２４．ｈｔｍｌ

ｐ

网络出版地址

：

基金项目国家自然科学基金

（

）

５１２０１１８２

：

．ＥｍａｉｌＬｉｕＫａｉ９１６ｅａｈ．ｎｅｔ

＠

ｙ

通信作者

－

＊

４２１５３５１

－ꢀ

航

空

学

报

ꢀ

，、

来在制备稳定性好耐久性强的裂纹监测传感器

，

损伤区域的电位场发生变化从而可以通过分析

。

中具有巨大的潜力现阶段提高裂纹监测传感器

的耐久性和稳定性的主要手段大体可以分为改进

（）

导电传感层电阻电位监测数据的变化获得裂纹

。

的相关信息为了在保证传感器监测功能正常的

［］

１５

。

工艺和进行封装保护两种谭翔飞等

，

同时具有较高的的耐久性本文分别选择

、

Ａｌ

考察了

，

铜薄膜传感器的耐蚀性能探索出了耐蚀性能最

、

ＴｉＮＣｕ３

ꢀ

种材料作为导电传感层沉积材料制备

，

佳的沉积工艺参数并检验了腐蚀环境影响后裂

，

薄膜传感器并从以下几个方面对

了

ＰＶＤ

薄膜材料

薄膜电阻

。

［］

１６

。

纹监测结果的可靠性刘健光等

：

ＰＶＤ

①

针对

ＩＣＭＳ

薄膜传感器的性能进行了比较

；

②

传感器涂层提出了喷涂纳米复合面漆对

ＩＭＲ２１

与基体材料的相容性

成膜后

ＰＶＤ

，

传感器进行保护的方法并提出了加速耐久性试

；

③

的稳定性

成膜后

薄膜的承载能力

具

ＰＶＤ

。，

验方法对模拟试验件进行考核因此通过工艺

。

体沉积工艺参数如表所示

１

、

优化和采用封装保护措施可以有效增强传感器

制备完成的不同沉积材料的

薄膜传感

ＰＶＤ

，

的耐损伤性能这需要大量有针对性的试验工作

。

，

器如图所示由图

１

（）：

可见薄膜传感器的

１ａＡｌ

（

，

颜色较暗这可能是

本文以物理气相沉积

薄膜在空气中发生氧化

ＰｈｓｉｃａｌＶａｏｕｒＤｅ

ｙ

ꢀ ｐ ꢀ ｐ

Ａｌ

－

［

］

１７

，

薄膜传感器为研究对象首先采

，

ｏｓｉｔｉｏｎＰＶＤ

）

；／

；

膜层的金黄色铜薄

造成的

薄膜呈

ＴｉＴｉＮ

ＴｉＮ

膜呈红褐色从每种相同沉积材料制备的薄膜传

感器中选用在不同沉积时间下制备的薄膜传感器

用不同的沉积材料和封装工艺制备了

薄膜

。

ＰＶＤ

，

传感器综合对比了这些传感器的耐损伤性能和

，

监测性能之后选择出了性能最佳的沉积材料和

，

、

各

件测量得出导电传感层厚度分别为和

３

２４

为了进一步考察薄膜传感器的电阻稳定

性将这薄膜传感器试样分别置于干燥

。，

封装工艺随后根据飞机金属结构的服役状况

，

。

６ｍ

编制了对应的环境谱以及可用于实验室试验的加

，

组

３

ＰＶＤ

。

，

速试验谱最后使用所编制的加速试验谱对采

用最佳沉积材料和工艺参数制备的薄膜传感器开

展了模拟服役环境下薄膜传感器监测结构

，

瓶中每隔

，

进行一次传感器电阻值测量得

２４ｈ

到传感器电阻值随存储时间的变化情况如

ＲＴ

，、、

所示其中蓝色绿色红色的电阻值曲线分

图

ＰＶＤ

２

。

疲劳裂纹的应用验证

、／、

ＡｌＴｉＴｉＮＣｕ

别对应沉积材料为

的薄膜传感

，

器各组中编号由小到大的曲线分别对应相应沉

高耐久性薄膜传感器

１

ꢀ

、

和

２４６ｍ

。

积材料传感层的厚度依次为

，

飞机结构的耐久性一般指在规定的期限内

，

薄膜电阻值随时间变化较为剧烈且未能

Ａｌ

、、、、

飞机结构抵抗疲劳开裂腐蚀热老化剥离脱

。

趋向稳定分析认为

，

薄膜电阻变化的原因是

Ａｌ

［

］

１８

。

、

层磨损和外来物损伤作用的能力

薄

；

原子活性很大与空气中的氧气发生

Ａｌ

膜层中

ＰＶＤ

，

膜传感器与基体结构具有良好的损伤一致性虽

，

反应导致

。

薄膜导电性能降低进一步试验

Ａｌ

，

然它能够检测疲劳裂纹等结构损伤但传感器本

，

证明即使对

，

薄膜进行封闭处理其电阻值随

Ａｌ

身不会因为疲劳载荷的作用而先于基体结构破

。，

时间变化仍较为剧烈因此不适宜采用

作

Ａｌ

。

，

ＰＶＤ

坏

因此

薄膜传感器的耐久性主要指它在

。

薄膜传感器导电传感层的沉积材料

ＰＶＤ

为

／，

服役环境下的抗腐蚀老化能力即在规定的使用

、

薄膜具有优良的导电性能高温化学稳

ＴｉＮ

，

ＰＶＤ

年限和日历寿命期内

薄膜传感器不会因为

表

工艺参数

１ＰＶＤ

ꢀ

／

环境腐蚀老化而失效

。

Ｔａｂｌｅ１ＰＶＤｒｏｃｅｓｓａｒａｍｅｔｅｒｓ

ꢀ ꢀ ꢀ

ｐ

ꢀ

ｐ

导电传感层沉积材料选择

１．１

ꢀ

／

ＮｅａｔｉｖｅＡｒｒｅｓｓｕｒｅＤｅｏｓｉｔｉｏｎＢｅａｍ

ꢀｐ

Ｔａｒｅｔ

ｇ

ｐ

／

ｍａｔｅｒｉａｌｂｉａｓＶ

／／

ｔｉｍｅｍｉｎｃｕｒｒｅｎｔＡ

Ｐａ

、

薄膜传感器由绝缘隔离层导电传感层

ＰＶＤ

Ａｌ１００２０００．３１．３

ꢀ － ꢀ －

３０１２０

－

３４８．０

３２６．５

３１３．６

２９３．２

ꢀ

［

］

１７

。

和封装保护层层结构组成

３

导电传感层是

Ｔｉ

ꢀ

１００２０００．１５

－ ꢀ

８５．０

ꢀ

。

薄膜传感器的核心部件当基体发生疲劳

ＰＶＤ

ＴｉＮ

６０１５０

－

０．１５

１０５．５

ꢀ

，

损伤时具有随附损伤特性的导电传感层也会出

Ｃｕ

ꢀ

５０２００

－

０．３１．３

－

８５．０

ꢀ

，，

现相应的裂纹并随基体结构裂纹不断扩展引起

４２１５３５２

－ꢀ

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