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耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测
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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空
学
报
ꢀ
Ｍａｒ．２５ ２０１８ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．３
ꢀ
ꢀ
ꢀ
／
ＩＳＳＮ １０００６８９３ ＣＮ１１１９２９ Ｖ
ꢀ ꢀ ꢀ －
－
ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ꢀ
：
ｈｔｔ ／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ ｈｋｘｂ ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
＠
ꢀ
ｐ
： ， ，
引用格式 崔荣洪 刘凯 侯波
，
［］
航空学报
Ｊ ．
，
，
（）：
，
２０１８ ３９３ ４２１５３５．ＣＵＩＲＨ
ꢀꢀ
等
耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测
．
，
，
［］
ＬＩＵＫ ＨＯＵＢ ｅｔａｌ．Ｃｒａｃｋｍｏｎｉｔｏｒｉｎ ｂａｓｅｄｏｎｈｉｈｄｕｒａｂｉｌｉｔ ｆｉｌｍｓｅｎｓｏｒｉｎｃｏｕｌｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＪ ．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ －
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ｇ
ꢀ
ｇ
ｙ
ꢀ
ｐ
， ， （）： （ ） ： ／
ｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ ２０１８ ３９３ ４２１５３５ ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ ．ｄｏｉ１０．７５２７ Ｓ１０００６８９３．２０１７．４２１５３５
－
ꢀ
ꢀ
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
： ；
Ｖ２１５．６ ＴＰ２１２．１
ꢀꢀꢀ
：
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
２０１７１００９ １４５５
－ － ꢀ
收稿日期
退修日期
录用日期
２０１７０６２０
－ －
２０１７０７３１
－ －
２０１７０９０４
－ －
： ：／／ ／ ／ ／
ｈｔｔ ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎＣＮｈｔｍｌ２０１８０３２４ ．ｈｔｍｌ
ｐ
网络出版地址
：
基金项目 国家自然科学基金
（
）
５１２０１１８２
：
．Ｅｍａｉｌ ＬｉｕＫａｉ９１６ ｅａｈ．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
、
ＴｉＮ Ｃｕ３
ꢀ
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
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
１ ａ Ａｌ
（
，
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
，
ｏｓｉｔｉｏｎ ＰＶＤ
）
； ／
；
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
，
。
６ ｍ
μ
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
Ｒ Ｔ
， 、 、
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
、 ／ 、
Ａｌ ＴｉＴｉＮ Ｃｕ
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
２４ ６ ｍ
。
积材料传感层的厚度依次为
μ
，
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
１ ＰＶＤ
ꢀ
／
环境腐蚀 老化而失效
。
Ｔａｂｌｅ１ ＰＶＤ ｒｏｃｅｓｓ ａｒａｍｅｔｅｒｓ
ꢀ ꢀ ꢀ
ｐ
ꢀ
ｐ
导电传感层沉积材料选择
１．１
ꢀ
／
Ｎｅａｔｉｖｅ Ａｒ ｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｅｏｓｉｔｉｏｎ Ｂｅａｍ
ꢀｐ
Ｔａｒｅｔ
ｇ
ｇ
ｐ
／
ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｉａｓ Ｖ
／ ／
ｔｉｍｅ ｍｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ Ａ
Ｐａ
、
薄膜传感器由绝缘隔离层 导电传感层
ＰＶＤ
Ａｌ １００２００ ０．３１．３
ꢀ － ꢀ －
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
ꢀ
１００２００ ０．１５
－ ꢀ
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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