壓電阻抗實時監(jiān)測技術(shù)在推進系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張守誠，譚元球，唐偉員，羅 瀟，邱 江，鄧志芳

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

航空航天推進系統(tǒng)在其貯存或飛行過程中，由于受環(huán)境溫度、壓力或高速氣流等隨機因素的影響，自身結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生損傷和缺陷，導(dǎo)致重大的安全事故。大多推進系統(tǒng)都具有粘接層或者使用黏接劑，例如航空發(fā)動機的粘接件和密封件等大量使用黏接劑等；固體火箭發(fā)動機的燃燒室主要由殼體、絕熱層、粘接層（在固體火箭結(jié)構(gòu)中專業(yè)名詞為襯層）構(gòu)成。襯層作為固體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)粘接推進劑和絕熱層（或殼體）的粘彈性材料，承擔(dān)保護發(fā)動機的重要作用[1]。如果襯層沒有在具有良好粘接性能的“半固化狀態(tài)”下進行裝藥，將嚴(yán)重破壞粘接層和推進劑界面的粘接強度，從而導(dǎo)致發(fā)動機發(fā)生爆炸、解體等災(zāi)難性事故。因此研究能夠有效準(zhǔn)確地判定粘接層“半固化狀態(tài)”的方法，對推進系統(tǒng)的質(zhì)量控制具有重要意義。

目前為止，粘接層“半固化狀態(tài)”檢測主要采用人手指壓法，依靠工程人員的經(jīng)驗判斷，不能定量化地判定粘接層的粘接性能，嚴(yán)重影響粘接質(zhì)量的穩(wěn)定性。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者對提升粘接層粘接性能做了大量的研究[2-4]。使用科學(xué)儀器對材料固化反應(yīng)程度進行監(jiān)測表征的方法主要有紅外光譜法、差式掃描熱量法（DSC 法）、超聲波方法等，楊士山等[5]采用紅外光譜技術(shù)表征粘接層固化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，初步探討了粘接層固化程度對界面粘接強度影響的機理，但是該方法只適用于特定配方，不能進行實時監(jiān)測，且測試儀器昂貴。文獻[6]利用DSC 方法測量環(huán)氧樹脂等的固化過程，需要對監(jiān)測材料進行破壞性取樣，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

近些年來發(fā)展的壓電類智能材料結(jié)構(gòu)技術(shù)為在役航空航天推進系統(tǒng)進行在線損傷檢測和實時健康監(jiān)測提供了廣闊的發(fā)展前景。尤其是一種新興的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法即壓電阻抗技術(shù)，通過粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器進行測試，利用壓電傳感器的機電耦合特性反映出被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為粘接層“半固化狀態(tài)”的實時健康狀態(tài)監(jiān)測與表征提供了新的思路。由于壓電阻抗法是在高頻條件下測量壓電片驅(qū)動結(jié)構(gòu)耦合阻抗，對結(jié)構(gòu)性能變化敏感，使得該方法特別適合對粘接層固化狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

本文著重從理論上將高頻激勵的壓電阻抗法與粘接層固化的力學(xué)性能聯(lián)系起來，構(gòu)建粘彈性粘接層結(jié)構(gòu)的模量與耦合阻抗的關(guān)系，對粘接層試件進行壓電阻抗技術(shù)實時監(jiān)測實驗，分析共振頻率處阻抗實部峰值的變化，探究壓電阻抗技術(shù)實時監(jiān)測并完整表征粘接層固化狀態(tài)的可行性。

1 粘彈性阻抗模型及監(jiān)測原理

粘接層的固化過程主要是HTPB（端羥基聚丁二烯）和TDI（甲苯二異氰酸酯）在一定條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚氨酯類彈性體。壓電阻抗技術(shù)實時監(jiān)測粘接層固化狀態(tài)的基本原理是，粘接層固化過程中，其模量等力學(xué)性能發(fā)生改變，導(dǎo)致機械阻抗變化，利用壓電傳感器的機電耦合效應(yīng)，測量粘貼于粘接層表面壓電傳感器的阻抗信號，其中反映了固化過程中模量等導(dǎo)致粘接層機械阻抗變化的信息。通過比較測得的耦合阻抗的區(qū)別，可以準(zhǔn)確地識別粘接層機械阻抗的變化，表征粘接層固化過程中模量等力學(xué)性能的變化，從而對粘接層固化過程實現(xiàn)實時監(jiān)測研究。壓電阻抗技術(shù)是Liang 等[7]在1994 年首先提出的，用于模擬耦合了壓電傳感器和結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為。Liang 等在構(gòu)建機電阻抗理論模型時只考慮了軸向變形，而不考慮與壓電傳感器相連的測試結(jié)構(gòu)的材料或形狀。由壓電傳感器（PZT）驅(qū)動的一維機電耦合阻抗模型導(dǎo)納表達(dá)式如下[7]

式中：Y 為PZT 電導(dǎo)納（阻抗倒數(shù)）；ω 為激勵頻率；la、ba和ha分別為PZT 的長度、寬度、厚度；為PZT 應(yīng)力為零或常數(shù)時的復(fù)介電常數(shù)，其中δ 為介電損耗因數(shù)；為PZT 在電場為零或常數(shù)時的復(fù)楊氏模量，其中η 為PZT 的機械損耗因數(shù)；d31為壓電常數(shù)；Za為PZT 的機械阻抗；ZS為基體結(jié)構(gòu)的機械阻抗。其中PZT 自身的機械阻抗Za的表達(dá)式為

對于一個已確定的壓電阻抗耦合系統(tǒng)來說，從式（1）可以看出，PZT 自身機械阻抗大小僅由自身材料參數(shù)所決定，其值為常數(shù)，而結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化會造成其機械阻抗的變化，因此壓電阻抗耦合系統(tǒng)的導(dǎo)納Y的變化由待測結(jié)構(gòu)的機械阻抗ZS唯一決定[8]。

本文根據(jù)粘接層的粘彈性材料特性，以及PZT 的厚度方向振動模式，將待測的粘接層結(jié)構(gòu)簡化為一維線性粘彈性桿結(jié)構(gòu)，與PZT 相連，如圖1 所示。根據(jù)一維粘彈性桿波動原理，連續(xù)方程和運動方程分別為

圖1 一維粘彈性阻抗模型

線性粘彈性桿的粘彈性微分本構(gòu)方程為

式（3）（4）（5）中：ρ 為粘彈性材料的密度，P 和Q 為與時間相關(guān)的微分算子。

由式（3）（4）（5）可得

根據(jù)偏微分方程的解形式，位移解可設(shè)為

根據(jù)文獻[6]中PZT 的位移解，得到待測粘接層結(jié)構(gòu)的邊界條件為

從而速度解為

一維粘彈性桿結(jié)構(gòu)一端與PZT 相連，粘彈性桿上的荷載可以表示為

由結(jié)構(gòu)機械阻抗（速度阻抗）定義可知，結(jié)構(gòu)機械阻抗表達(dá)式為

粘接層固化過程中，粘接層的模量隨著固化程度而變化。由式（11）不難看出，在PZT 的主動激勵下，粘彈性結(jié)構(gòu)的機械阻抗與動態(tài)模量之間存在數(shù)值關(guān)系。根據(jù)式（1），壓電阻抗系統(tǒng)的耦合阻抗的變化由待測結(jié)構(gòu)的機械阻抗ZS唯一決定。因此，測得的耦合阻抗和粘接層動態(tài)模量存在一定的數(shù)值關(guān)系，實測的阻抗數(shù)據(jù)中可以實時表征粘接層的動態(tài)模量，從而識別和判定粘接層的固化狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，壓電阻抗技術(shù)可以實現(xiàn)粘接層動態(tài)模量的實時量化表征，有效地監(jiān)測粘接層的粘接性能。

2 粘接層固化過程阻抗監(jiān)測實驗研究

實驗使用的粘接層料漿基礎(chǔ)配方由某航天單位提供，主要由HTPB 黏合劑、TDI 固化劑及其他添加劑按照一定比例配制而成，選取一定重量的粘接層料漿放入標(biāo)準(zhǔn)的圓形試件（直徑40 mm，深度2 mm）中并均勻攤平，然后將圓形粘接層試件置于恒溫50 ℃的固化爐中進行固化。實驗采用的壓電傳感器為PZT-5A 壓電片（直徑12 mm，厚度0.7 mm，STEMINC Ltd），如圖2（a）所示。PZT 放置于圓形粘接層試件表面幾何中心，利用粘接層自身的粘接性緊緊貼合于圓形粘接層試件表面，如圖2（b）所示，并利用National Instrument（NI）系統(tǒng)開發(fā)的粘接層固化壓電阻抗技術(shù)監(jiān)測程序進行實時監(jiān)測。

圖2 實驗設(shè)備和試件

NI 粘接層固化阻抗監(jiān)測系統(tǒng)包括NI PXIe-1071機箱、PXIe-6124 多功能I/O 模塊、PXIe-2527 多路復(fù)用器開關(guān)模塊、TB-2627 接線盒和顯示器等，采用LabVIEW 進行阻抗監(jiān)測系統(tǒng)編程，外接自傳感電路，能夠近似達(dá)到精密阻抗分析儀的測量效果。該裝置較為便攜，成本不高。由于阻抗虛部對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化不敏感，阻抗虛部通常用于壓電傳感器自診斷研究，而阻抗實部用于表征結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化[9]，因此本文只選取阻抗實部數(shù)據(jù)表征粘接層的固化狀態(tài)。

3 實驗結(jié)果和討論

粘接層監(jiān)測試件如圖2（b）所示，一直在固化爐中進行阻抗實時監(jiān)測的為3 號、4 號、5 號和6 號試件，每一個試件阻抗測試間隔時間約為8 min，總共的監(jiān)測時間超過8 000 min。但是在粘接層完全固化后，阻抗峰值基本保持不變，因此選取監(jiān)測過程前3 000 min 的數(shù)據(jù)進行分析。以3 號試件為例，如圖3 所示，阻抗測試掃頻區(qū)間為100~400 kHz。隨機選取監(jiān)測間隔約為65 min 的19 組測試數(shù)據(jù)做出阻抗頻譜曲線。從圖3 可以看出，共振頻率約為200 kHz，初始峰值約為2 040 Ω，局部放大圖清楚地顯示隨著固化時間的增加，阻抗實部峰值逐漸下降；當(dāng)固化程度越來越大時，阻抗峰值的速率減小；粘接層完全固化時，阻抗峰值幾乎保持不變。因此，可以選用阻抗實部峰值作為表征粘接層固化狀態(tài)的監(jiān)測指標(biāo)。

圖3 3 號試件的阻抗頻譜

選取各試件測得的阻抗實部峰值作為表征粘接層固化狀態(tài)的特征量，將固化過程中各個時間段的阻抗實部峰值取出，畫出阻抗實部峰值與固化時間的對應(yīng)曲線。對3—6 號試件的阻抗峰值數(shù)據(jù)作歸一化處理并進行對比，如圖4 所示。各試件的阻抗峰值曲線都呈現(xiàn)相同的下降趨勢，且下降率基本保持一致。根據(jù)該航天單位以往的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，該配方粘接層的“半固化狀態(tài)”開始時間約為300 min。從圖4 可以看出，300 min時各個粘接層試件歸一化后的阻抗實部峰值均為0.94左右，各個試件的阻抗實部峰值均下降約6%，表現(xiàn)出了高度的一致性和統(tǒng)一的規(guī)律，可將阻抗實部峰值的下降率作為粘接層“半固化狀態(tài)”的參考依據(jù)。對于該配方粘接層，從配制完成開始固化進行阻抗實時監(jiān)測，當(dāng)阻抗實部峰值下降約6%時可以判斷粘接層開始進入“半固化狀態(tài)”。壓電阻抗技術(shù)根據(jù)阻抗峰值下降率定量化地表征粘接層的“半固化狀態(tài)”，不再單純地依據(jù)工程人員的手工經(jīng)驗，可以作為判定粘接層“半固化狀態(tài)”的重要指標(biāo)。

圖4 各試件阻抗峰值歸一化后隨時間變化曲線

綜上所述，各個粘接層試件反映出了一致的下降規(guī)律，隨著粘接層的固化進程，相應(yīng)的阻抗實部峰值會逐漸降低，且阻抗實部峰值變化速率逐漸減緩；粘接層完全固化后，相應(yīng)的阻抗峰值基本保持不變。歸一化處理后，各個試件的下降規(guī)律高度一致，在“半固化狀態(tài)”時的下降率大致相同，可以將阻抗實部峰值下降率作為定量化表征粘接層“半固化狀態(tài)”的重要參考依據(jù)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于壓電阻抗技術(shù)監(jiān)測粘接層固化狀態(tài)的新方法。首先通過構(gòu)建一維粘彈性機電阻抗耦合模型，推導(dǎo)了粘彈性結(jié)構(gòu)的動態(tài)模量與阻抗的數(shù)值關(guān)系，開展了圓形粘接層試件的固化過程阻抗監(jiān)測實驗研究，根據(jù)推導(dǎo)過程及實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析可以得到以下一些結(jié)論。

1）由建立的一維粘彈性阻抗模型推導(dǎo)出了動態(tài)模量和耦合阻抗的數(shù)值關(guān)系，準(zhǔn)確地模擬了粘彈性粘接層材料的耦合阻抗信號，表明了一維粘彈性阻抗模型的有效性。

2）阻抗實部峰值隨著固化程度的加深而逐漸減小，且隨著固化時間的增加，減小的速率越來越小，最后阻抗峰值基本保持不變，粘接層達(dá)到完全固化，完整反映了粘接層固化過程。

3）各個粘接層試件開始進入“半固化狀態(tài)”時的阻抗實部峰值下降率相同，阻抗實部峰值的下降率可以作為判定粘接層“半固化狀態(tài)”的重要參考依據(jù)。

4）本文所提出的壓電阻抗技術(shù)為非破壞性的原位監(jiān)測方法。由于耦合阻抗與動態(tài)模量的數(shù)值關(guān)系，以及粘接層材料和推進劑材料的相似性，該方法也適用于推進劑固化過程的監(jiān)測，并做了相關(guān)實驗研究。壓電阻抗技術(shù)對于結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化的敏感性及規(guī)律性，使得其在航空航天領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。