耦合服役環(huán)境下高耐久性薄膜傳感器裂紋監(jiān)測

崔榮洪，劉凱, ，侯波，譚翔飛，何宇廷

1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038 2. 陸軍航空兵研究所，北京 101121

在飛機(jī)使用過程中，由于各種載荷和環(huán)境條件的作用，金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度會(huì)逐漸降低，出現(xiàn)疲勞、腐蝕、磨損等多種形式的損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，其中疲勞裂紋損傷是金屬結(jié)構(gòu)在服役過程中最直接和終極的損傷模式[1]。對機(jī)體主要承載結(jié)構(gòu)和重要部件進(jìn)行裂紋監(jiān)測是防止、減少安全隱患和災(zāi)難性事故發(fā)生的一種重要手段[2]。

目前，國內(nèi)外的飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測中所應(yīng)用的傳感器主要包括光纖傳感器[3-6]、渦流傳感器[7]、聲發(fā)射傳感器[8]、壓電薄膜傳感器[9]、相對真空傳感器[10]等。然而，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，大多數(shù)已有的裂紋監(jiān)測技術(shù)多存在精確性低、耐久性差、虛警率高等問題。同時(shí)，飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)往往工作在電磁干擾、振動(dòng)、腐蝕、高低溫等復(fù)雜環(huán)境中，且金屬結(jié)構(gòu)自身服役年限長，這些傳感器的穩(wěn)定性和耐久性往往難以滿足要求。因此，提升傳感器在惡劣服役環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性，是裂紋監(jiān)測技術(shù)工程化應(yīng)用的重點(diǎn)難點(diǎn)。

電位監(jiān)測法[11]因具有原理簡單、準(zhǔn)確性高、適用于復(fù)雜環(huán)境等特點(diǎn)近幾年來被廣泛使用。何宇廷等[12]設(shè)計(jì)了一種基于電位法的裂紋監(jiān)測傳感器，并通過對傳感器有限元模型的輸出特性分析，驗(yàn)證了該方案的可行性。Behnam等[13]通過在鋁合金表面涂覆納米環(huán)氧樹脂薄膜傳感器實(shí)現(xiàn)了對金屬裂紋的監(jiān)測，分析了在不同載荷下傳感器的靈敏性。侯波等[14]提出了一種基于Ti/TiN薄膜的結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測方案，并驗(yàn)證了傳感器與基體的損傷一致性，并進(jìn)行了裂紋監(jiān)測試驗(yàn)。以上研究表明，將電位法與現(xiàn)代表面工程技術(shù)結(jié)合起來，在制備穩(wěn)定性好、耐久性強(qiáng)的裂紋監(jiān)測傳感器中具有巨大的潛力?，F(xiàn)階段提高裂紋監(jiān)測傳感器的耐久性和穩(wěn)定性的主要手段大體可以分為改進(jìn)工藝和進(jìn)行封裝保護(hù)兩種。譚翔飛等[15]考察了銅薄膜傳感器的耐蝕性能，探索出了耐蝕性能最佳的沉積工藝參數(shù)，并檢驗(yàn)了腐蝕環(huán)境影響后裂紋監(jiān)測結(jié)果的可靠性。劉健光等[16]針對ICMS傳感器涂層提出了噴涂IMR21納米復(fù)合面漆對傳感器進(jìn)行保護(hù)的方法，并提出了加速耐久性試驗(yàn)方法對模擬試驗(yàn)件進(jìn)行考核。因此，通過工藝優(yōu)化和采用封裝、保護(hù)措施可以有效增強(qiáng)傳感器的耐損傷性能，這需要大量有針對性的試驗(yàn)工作。

本文以物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition，PVD)薄膜傳感器[17]為研究對象，首先采用不同的沉積材料和封裝工藝制備了PVD薄膜傳感器，綜合對比了這些傳感器的耐損傷性能和監(jiān)測性能之后，選擇出了性能最佳的沉積材料和封裝工藝。隨后，根據(jù)飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的服役狀況，編制了對應(yīng)的環(huán)境譜以及可用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的加速試驗(yàn)譜。最后，使用所編制的加速試驗(yàn)譜對采用最佳沉積材料和工藝參數(shù)制備的薄膜傳感器開展了模擬服役環(huán)境下PVD薄膜傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的應(yīng)用驗(yàn)證。

1 高耐久性薄膜傳感器

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性一般指在規(guī)定的期限內(nèi)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂、腐蝕、熱老化、剝離、脫層、磨損和外來物損傷作用的能力[18]。PVD薄膜傳感器與基體結(jié)構(gòu)具有良好的損傷一致性，雖然它能夠檢測疲勞裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，但傳感器本身不會(huì)因?yàn)槠谳d荷的作用而先于基體結(jié)構(gòu)破壞。因此，PVD薄膜傳感器的耐久性主要指它在服役環(huán)境下的抗腐蝕/老化能力，即在規(guī)定的使用年限和日歷壽命期內(nèi)，PVD薄膜傳感器不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境腐蝕/老化而失效。

1.1 導(dǎo)電傳感層沉積材料選擇

PVD薄膜傳感器由絕緣隔離層、導(dǎo)電傳感層和封裝保護(hù)層3層結(jié)構(gòu)組成[17]。導(dǎo)電傳感層是PVD薄膜傳感器的核心部件。當(dāng)基體發(fā)生疲勞損傷時(shí)，具有隨附損傷特性的導(dǎo)電傳感層也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的裂紋，并隨基體結(jié)構(gòu)裂紋不斷擴(kuò)展，引起損傷區(qū)域的電位場發(fā)生變化，從而可以通過分析導(dǎo)電傳感層電阻(電位)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化獲得裂紋的相關(guān)信息。為了在保證傳感器監(jiān)測功能正常的同時(shí)具有較高的的耐久性，本文分別選擇Al、TiN、Cu 3種材料作為導(dǎo)電傳感層沉積材料制備了PVD薄膜傳感器，并從以下幾個(gè)方面對PVD薄膜傳感器的性能進(jìn)行了比較：①PVD薄膜材料與基體材料的相容性；②成膜后PVD薄膜電阻的穩(wěn)定性；③成膜后PVD薄膜的承載能力。具體沉積工藝參數(shù)如表1所示。

制備完成的不同沉積材料的PVD薄膜傳感器如圖1所示，由圖1(a)可見：Al薄膜傳感器的顏色較暗，這可能是Al薄膜在空氣中發(fā)生氧化造成的；Ti/TiN薄膜呈TiN膜層的金黃色；銅薄膜呈紅褐色。從每種相同沉積材料制備的薄膜傳感器中選用在不同沉積時(shí)間下制備的薄膜傳感器各3件，測量得出導(dǎo)電傳感層厚度分別為2、4和6 μm。為了進(jìn)一步考察薄膜傳感器的電阻穩(wěn)定性，將這3組PVD薄膜傳感器試樣分別置于干燥瓶中，每隔24 h進(jìn)行一次傳感器電阻值測量，得到傳感器電阻值R隨存儲(chǔ)時(shí)間T的變化情況如圖2所示，其中藍(lán)色、綠色、紅色的電阻值曲線分別對應(yīng)沉積材料為Al、Ti/TiN、Cu的薄膜傳感器，各組中編號由小到大的曲線分別對應(yīng)相應(yīng)沉積材料傳感層的厚度依次為2、4和6 μm。

Al薄膜電阻值隨時(shí)間變化較為劇烈，且未能趨向穩(wěn)定。分析認(rèn)為，Al薄膜電阻變化的原因是膜層中Al原子活性很大；與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致Al薄膜導(dǎo)電性能降低。進(jìn)一步試驗(yàn)證明，即使對Al薄膜進(jìn)行封閉處理，其電阻值隨時(shí)間變化仍較為劇烈。因此，不適宜采用Al作為PVD薄膜傳感器導(dǎo)電傳感層的沉積材料。

TiN薄膜具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、高溫化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性能、耐磨損性能以及高硬度、高熔點(diǎn)，又具有抗熱沖擊、熱輻射和電磁脈沖等性能，已成為目前工業(yè)研究和應(yīng)用最為廣泛的薄膜材料之一[18]。但是，TiN膜層和2A12-T4鋁合金基體之間膨脹系數(shù)的較大差異會(huì)造成薄膜與基體結(jié)合性能較差。而Ti與TiN膜層和鋁基體之間的膨脹系數(shù)相對較小，因而在TiN膜層和鋁基體之間施加Ti過渡層有利于減緩由膨脹系數(shù)差異引起的內(nèi)應(yīng)力增大，明顯提高膜層/基體結(jié)合力[19]?；谝陨峡紤]，選擇Ti/TiN復(fù)合薄膜作為PVD薄膜傳感器導(dǎo)電傳感層的備選材料之一。由圖2可見，Ti/TiN薄膜傳感器電阻值隨時(shí)間變化緩慢，且趨向穩(wěn)定，因此從電阻穩(wěn)定性方面考慮，Ti/TiN復(fù)合膜層適合作為PVD薄膜傳感器導(dǎo)電傳感層材料。

表1 PVD工藝參數(shù)Table 1 PVD process parameters

Cu薄膜由于導(dǎo)電性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好和抗電遷移能力強(qiáng)等優(yōu)良性能，近年來作為導(dǎo)電薄膜在微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[20]。由圖2可知，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，Cu薄膜傳感器電阻值略有增大，這說明Cu薄膜的電阻穩(wěn)定性略低于Ti/TiN復(fù)合薄膜。但在隨后進(jìn)行的雙向彎曲試驗(yàn)[21]中厚度為4 μm的Cu薄膜和Ti/TiN復(fù)合薄膜的平均循環(huán)加載次數(shù)分別為823和261次，這表明Cu薄膜與基體的結(jié)合力和抗彎強(qiáng)度大大優(yōu)于Ti/TiN復(fù)合薄膜，Ti/TiN復(fù)合薄膜在大的彎曲載荷下極易失效。在對Cu薄膜進(jìn)行封閉處理后，其電阻值趨于穩(wěn)定。由于PVD薄膜傳感器的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮了對導(dǎo)電傳感層的封裝保護(hù)，擬選定Cu作為高耐久性PVD薄膜傳感器導(dǎo)電傳感層的沉積材料。

1.2 封裝保護(hù)工藝研究

封裝保護(hù)層用以消除各種外界因素對電位監(jiān)測信息的干擾，避免傳感器受到腐蝕、磨損、撞擊、熱老化等損傷。同時(shí)，封裝保護(hù)層還應(yīng)具備較強(qiáng)的結(jié)合力和載荷承載能力，且與基體具有較好的損傷一致性。氮化鋁(AlN)具有許多突出的物理化學(xué)性能，如大的擊穿場強(qiáng)(10 kV/m)，高電阻率，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，高熔點(diǎn)，低的熱膨脹系數(shù)等。這些性質(zhì)使它成為微電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)光電器件的絕緣層和緩沖層的絕佳材料[20]。課題組考慮制備氮化鋁作為PVD薄膜傳感器的封裝保護(hù)層。

試驗(yàn)采用不銹鋼片作為基體材料，試樣尺寸為100 mm×40 mm×1.2mm，擬制備AlN薄膜的面積為50 mm×40 mm。AlN薄膜沉積步驟如下：首先，將不銹鋼試樣依次經(jīng)400#、600#、800#砂紙研磨后，用W2.5金剛石研磨膏拋光。其次，分別用蒸餾水和四氯化碳溶劑清洗5 min以除去試樣表面的油污，將試樣烘干后裝入到PVD薄膜傳感器制備系統(tǒng)的真空鍍膜室內(nèi)，與靶間距約為230 mm。然后對試樣進(jìn)行氬離子轟擊以進(jìn)一步清洗試樣表面。最后，采用PVD薄膜傳感器制備系統(tǒng)在試樣表面進(jìn)行AlN薄膜沉積，薄膜沉積具體工藝參數(shù)如表2所示。

為了驗(yàn)證AlN薄膜封裝PVD薄膜傳感器的可行性，首先對制備好的AlN試樣進(jìn)行了結(jié)合力測試與損傷一致性測試，結(jié)果顯示AlN薄膜的結(jié)合力與損傷一致性均能滿足裂紋監(jiān)測需求，在此，重點(diǎn)對AlN薄膜的抗腐蝕性能進(jìn)行考察。本研究采用中性鹽霧試驗(yàn)考核AlN薄膜的耐腐蝕性能，試驗(yàn)條件如表3所示；采用根據(jù)國標(biāo)GB/T 6461—2002《金屬基體上金屬和其它無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評級》[22]所制定的腐蝕率評級標(biāo)準(zhǔn)和外觀評級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行對制備的PVD薄膜鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的判定。腐蝕率評級標(biāo)準(zhǔn)如表4所示[22]，外觀評級標(biāo)準(zhǔn)如表5所示[22]。

將制備好AlN薄膜的試樣放入鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)前后試樣形貌如圖3所示，圖中從左至右依次為基體偏壓50、100、150、200和250 V時(shí)制備的AlN薄膜試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，由鹽霧試驗(yàn)結(jié)果可知：整個(gè)試驗(yàn)過程中試樣表面未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，AlN薄膜耐腐蝕性能優(yōu)良，但是鹽霧試驗(yàn)經(jīng)歷一段時(shí)間后，AlN薄膜局部消失露出基體，其中基體偏壓為250 V時(shí)制備的AlN薄膜對基體保護(hù)效果最好。分析認(rèn)為，AlN表面存在致密的氧化物薄膜，可以抵抗氯化物的侵襲，所以表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，但是氮化鋁在水中會(huì)慢慢水解，氮化鋁不能單獨(dú)用于PVD薄膜傳感器封裝，需要對氮化鋁薄膜進(jìn)行表面防水處理。經(jīng)過對多種方案的對比試驗(yàn)，課題組最終決定采用具有優(yōu)異耐水、防潮性能的705硅膠對AlN薄膜進(jìn)行防水處理，同時(shí)采用兩種工藝對PVD薄膜傳感器進(jìn)行封裝。

表2 AlN薄膜制備工藝參數(shù)Table 2 AlN film deposition process parameters

表3 鹽霧腐蝕試驗(yàn)條件Table 3 Salt spray corrosion test condition

表4 腐蝕率評級標(biāo)準(zhǔn)[22]

表5 外觀評級標(biāo)準(zhǔn)[22]Table 5 Appearance grade evaluation criterion[22]

表6 AlN薄膜鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of salt spray corrosion test of AlN film

1.3 薄膜傳感器制備

通過上述研究，最終確定高耐久性PVD薄膜傳感器制備方案如下：

1)采用硫酸-硼酸陽極氧化工藝[23]在2A12-14鋁合金中心孔板試件上制備厚度約為15 μm的Al2O3絕緣隔離層。

2)以Cu為沉積材料采用脈沖偏壓多弧離子鍍技術(shù)[19]在絕緣隔離層上制備同心雙環(huán)狀導(dǎo)電傳感層陣列[24]，具體工藝參數(shù)如表1所示。

3)采用如表2所示工藝參數(shù)(基體負(fù)偏壓為250 V)在制備好的導(dǎo)電傳感層上制備AlN封裝保護(hù)層，然后采用705硅膠進(jìn)行防水處理，并采用YC-01導(dǎo)電銀膠將引線與薄膜傳感器連接。

通過上述工藝制備完成的高耐久性薄膜傳感器如圖4所示。

2 環(huán)境耦合加速試驗(yàn)

飛機(jī)在服役期間，所經(jīng)歷的環(huán)境包括空中飛行環(huán)境和地面停放環(huán)境。一般情況下，地面停放時(shí)間占很大比例，占服役時(shí)間的95%以上[25]，且部分機(jī)場環(huán)境兼有海洋大氣環(huán)境和工業(yè)大氣環(huán)境的特點(diǎn)，因此地面停放環(huán)境是影響飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的主要原因。本文綜合考慮對金屬結(jié)構(gòu)性能影響較大的環(huán)境因素，編制加速環(huán)境譜，模擬服役環(huán)境對薄膜傳感器監(jiān)測性能的影響。

2.1 加速環(huán)境譜

服役環(huán)境隨地域分布和季節(jié)氣候變化會(huì)有不同程度的差異，但對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕影響的環(huán)境因素[26]幾乎不變。主要包括：紫外線輻射、溫度、濕度、鹽霧和pH值等。根據(jù)以上服役環(huán)境因素，編制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的加速環(huán)境譜，如圖5所示。

在加速環(huán)境譜中，紫外線輻射實(shí)驗(yàn)用于模擬飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)因太陽輻射所產(chǎn)生嚴(yán)酷的熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)和薄膜傳感器的破壞；熱沖擊實(shí)驗(yàn)用于模擬飛機(jī)金屬在外場停放時(shí)的溫度沖擊效應(yīng)，考察薄膜傳感器的熱性能、電導(dǎo)性，以及在材料收縮/膨脹率不同的情況下結(jié)構(gòu)和薄膜的變形或破裂情況；低溫環(huán)境試驗(yàn)用于模擬飛機(jī)飛行時(shí)的低溫效應(yīng)，以及在交變溫度場情況下薄膜的耐久性；鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)用于模擬大氣環(huán)境對金屬結(jié)構(gòu)和薄膜傳感器的腐蝕和破壞作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[27]中的當(dāng)量加速原理，計(jì)算出鋁合金在5%NaCl溶液和pH為4的H2SO4溶液中鹽霧腐蝕的加速系數(shù)為0.076 68。即試驗(yàn)件在加速譜中作用1 h，等價(jià)于試驗(yàn)件在相對濕度90%、環(huán)境溫度40 ℃的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣下作用13.04 h。

2.2 環(huán)境加速試驗(yàn)

將制備完成的試驗(yàn)件依照如圖5所示的加速試驗(yàn)流程循環(huán)進(jìn)行20次，可知試驗(yàn)件在鹽霧腐蝕環(huán)境下作用1 000 h，與試驗(yàn)件按文獻(xiàn)[28]中編制的典型海洋大氣環(huán)境譜下(在鹽霧腐蝕環(huán)境中加速180 h相當(dāng)于完全暴露在外場停放一年)作用5.5年(通常來說飛機(jī)大修的平均周期為4年左右)等價(jià)。環(huán)境加速試驗(yàn)后試件及薄膜傳感器形貌如圖6所示。

由圖6可見，試樣腐蝕情況為在夾持端面、試樣側(cè)面和傳感器引線暴露部位出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物氫氧化鋁Al(OH)3(或Al2O3(H2O)，薄膜傳感器表面極個(gè)別位置存在微量的銅綠，此外并未發(fā)現(xiàn)薄膜脫層或薄膜裂紋，同心環(huán)狀薄膜傳感器外觀大體良好。采用萬用表測量環(huán)境加速試驗(yàn)后的薄膜傳感器電阻阻值，并與試驗(yàn)前進(jìn)行對比，如表7所示。

表7 環(huán)境加速試驗(yàn)前后薄膜傳感器電阻值

由結(jié)果可知：經(jīng)過環(huán)境加速試驗(yàn)的薄膜傳感器電阻值較試驗(yàn)前平均增大6.4%，其變化規(guī)律不明顯，但傳感器線路均正常導(dǎo)通，初步證實(shí)薄膜傳感器監(jiān)測功能完好。試驗(yàn)表明：薄膜傳感器能承受嚴(yán)酷復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)，具有較高的耐久性和穩(wěn)定性，且在實(shí)際應(yīng)用中，金屬表面的防護(hù)涂層對結(jié)構(gòu)具有較好的防護(hù)作用，薄膜傳感器的耐腐蝕性能應(yīng)會(huì)更加突出，服役年限也會(huì)更長。

3 疲勞裂紋監(jiān)測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

為了進(jìn)一步監(jiān)測經(jīng)過加速環(huán)境試驗(yàn)后的薄膜傳感器的損傷監(jiān)測能力，開展了加速環(huán)境試驗(yàn)后的PVD薄膜傳感器試樣疲勞裂紋監(jiān)測試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。試驗(yàn)采用MTS810型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對試樣加載常幅疲勞載荷。試驗(yàn)參數(shù)如下：加載頻率f=20 Hz，應(yīng)力比R=0.05，峰值載荷σmax=150 MPa。試驗(yàn)過程中利用阿爾泰USB2828數(shù)據(jù)采集卡和VICTOR86B數(shù)字多用表對PVD薄膜傳感器進(jìn)行全程跟蹤記錄，同時(shí)通過課題組自主研制的組合式讀數(shù)攝像平臺(tái)(帶顯微鏡、數(shù)顯游標(biāo)電子卡尺，見圖8)實(shí)時(shí)觀察疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，并對PVD薄膜傳感器監(jiān)測結(jié)果和顯微鏡觀察測量結(jié)果進(jìn)行對比。

實(shí)際疲勞裂紋形狀不規(guī)則給裂紋長度描述帶來一定困難，本文中將裂紋投影到垂直于試樣縱向軸線的中心孔圓心所在平面內(nèi)，定義該平面中裂紋前緣投影點(diǎn)到中心孔邊緣點(diǎn)之間的距離為名義裂紋長度，用名義裂紋長度來描述實(shí)際的裂紋尺寸。

2A12-T4鋁合金中心孔試樣在疲勞循環(huán)加載作用下，經(jīng)歷52 480次循環(huán)斷裂，試樣斷裂后的形貌如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中PVD薄膜傳感器與基體一體化集成良好，沒有出現(xiàn)脫落、分層等現(xiàn)象。

3.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)全過程中完整的PVD薄膜傳感器輸出電位差信號曲線如圖10所示。顯微鏡觀測到的裂紋萌生、擴(kuò)展過程如圖11所示，其中，由左至右依次為裂紋萌生和名義裂紋長度為1、2、3 mm時(shí)同心環(huán)狀PVD薄膜傳感器的形貌。

從圖10中可以看出同心雙環(huán)狀PVD薄膜傳感器的內(nèi)、外環(huán)電位監(jiān)測信號具有類似的變化特征，結(jié)合電位監(jiān)測原理，其電位監(jiān)測變化曲線可以被兩個(gè)裂紋特征點(diǎn)分為3個(gè)典型特征部分。以內(nèi)環(huán)電位監(jiān)測信號為例：圖中A點(diǎn)為PVD薄膜傳感器開始識(shí)別裂紋的特征點(diǎn)，在A點(diǎn)以前，電位監(jiān)測信號沒有明顯變化，此時(shí)循環(huán)加載時(shí)間較短，試樣沒有出現(xiàn)疲勞損傷。B點(diǎn)是裂紋穿越PVD薄膜傳感器的特征點(diǎn)，在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間，電位監(jiān)測信號發(fā)生階躍式突變，此段特征部分比表示裂紋開始萌生并擴(kuò)展通過薄膜傳感器內(nèi)環(huán)，造成內(nèi)環(huán)導(dǎo)電傳感層截面積變小、電阻值變大。過B點(diǎn)后，電位監(jiān)測信號保持在高電位值，此時(shí)裂紋已經(jīng)擴(kuò)展通過薄膜傳感器內(nèi)環(huán)。PVD薄膜傳感器外環(huán)電位監(jiān)測信號變化趨勢及特征與內(nèi)環(huán)相同。結(jié)合傳感器平面設(shè)計(jì)及以上對監(jiān)測信號的分析可知：A、B、C、D點(diǎn)對應(yīng)裂紋長度分別為0、1、2、3 mm。

3.3 精確度分析

為了分析薄膜傳感器測量裂紋長度的準(zhǔn)確性，將PVD薄膜傳感器在線監(jiān)測結(jié)果與組合式讀數(shù)攝像平臺(tái)觀測結(jié)果進(jìn)行對比，如表8所示。

表8 傳感器監(jiān)測結(jié)果與顯微鏡觀測結(jié)果對比

PVD薄膜傳感器監(jiān)測裂紋萌生與裂紋長度達(dá)到1 mm(圖10中B點(diǎn))、2 mm(圖10中C點(diǎn))、3 mm(圖10中D點(diǎn))時(shí)對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)與顯微鏡觀測裂紋萌生與裂紋長度達(dá)到1、2、3 mm時(shí)對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)的差分別為215、183、180、145，結(jié)合疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載頻率為20 Hz，試件從開始萌生裂紋到斷裂的循環(huán)加載次數(shù)為22 031次可知：裂紋監(jiān)測傳感器對裂紋長度的測量具有一定的精度與時(shí)效性，與實(shí)測情況吻合較好，具備在結(jié)構(gòu)斷裂之前及時(shí)告警的能力。

此外在裂紋監(jiān)測試驗(yàn)過程中，以下3個(gè)環(huán)節(jié)中引入了誤差：

1)組合式讀數(shù)平臺(tái)中數(shù)顯游標(biāo)卡尺的的分辨率為0.01 mm，讀數(shù)誤差為±0.02 mm。

2)制備傳感器所用的表面覆蓋模具采用線切割工藝加工，精度≤0.01 mm。

3)傳感器本身測量所得誤差。

在這些環(huán)節(jié)中，引入的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 mm。因此，結(jié)合3.2節(jié)結(jié)果分析，認(rèn)為傳感器能夠有效監(jiān)測結(jié)構(gòu)的裂紋損傷，經(jīng)過合理的布置，PVD薄膜傳感器的裂紋監(jiān)測精度可以達(dá)到1 mm。

綜上，加速環(huán)境試驗(yàn)后的PVD薄膜傳感器監(jiān)測信息與基體裂紋擴(kuò)展的實(shí)測信息一致，具有較高的監(jiān)測精度，監(jiān)測功能良好。同時(shí)證明PVD薄膜傳感器可以承受紫外線輻射、腐蝕和高、低溫耦合環(huán)境的考驗(yàn)，具有良好的耐久性與穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對耦合環(huán)境下服役金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋進(jìn)行有效監(jiān)測。

4 結(jié) 論

1) 綜合對比薄膜和基體材料相容性以及薄膜的力學(xué)和電學(xué)性能，最終選定Cu作為高耐久性薄膜傳感器導(dǎo)電傳感層的沉積材料；AlN具有較好的耐腐蝕性能，在經(jīng)過705硅膠防水處理后，對PVD薄膜傳感器能夠進(jìn)行較好的封裝保護(hù)。

2) 所采用的加速環(huán)境試驗(yàn)方法能很好的模擬飛機(jī)實(shí)際服役環(huán)境，PVD薄膜傳感器可以承受1 000 h紫外線輻射、腐蝕和高、低溫耦合環(huán)境的考驗(yàn)，能保證在飛機(jī)大修周期內(nèi)不因環(huán)境作用而失效，能實(shí)現(xiàn)在耦合環(huán)境下對服役金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋進(jìn)行有效監(jiān)測。

3) PVD薄膜傳感器的監(jiān)測信息與基體裂紋擴(kuò)展的實(shí)測信息相一致。將PVD薄膜傳感器電位監(jiān)測信號開始增加的特征點(diǎn)和電位信號階躍上升后開始保持高位的特征點(diǎn)分別作為裂紋前緣開始進(jìn)入相應(yīng)環(huán)道和裂紋前緣穿越相應(yīng)環(huán)道的監(jiān)測判據(jù)，PVD薄膜傳感器可以實(shí)現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)裂紋的定量監(jiān)測，監(jiān)測精度可達(dá)到1 mm。

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