一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法

摘要

本发明公开了一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，所述的微米传感元具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层、中层为导电薄膜结构的传感层、顶层为封装保护传感层的保护层，传感元各层的厚度均在微米级，故称微米传感元；微米传感元的形状由置于基体材料上的模板来控制，覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元的宽度根据实际需求进行调整，即传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹长度。本发明通过合理设计微米传感元，基于电位监测的基本原理，在裂纹形成和扩展阶段进行电位检测，实现了对金属结构从塑性变形到疲劳裂纹萌生直至失稳断裂的疲劳损伤全程监测以及对结构多个关键位置的健康状态同时监测。

主权项

一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元，其特征在于，所述的微米传感元具有三层结构，底层为直接制备在基体材料上的绝缘层，中层为导电薄膜结构的传感层，顶层为封装保护传感层的保护层；各层的厚度均在微米级；微米传感元的形状由置于基体材料上的模板来控制，微米传感元覆盖金属结构疲劳危险部位；微米传感元中传感层的宽度大于该金属结构临界疲劳裂纹长度；所述的绝缘层是对基体材料表面进行绝缘化处理制得：对于纯铝或铝合金采用常规的阳极氧化工艺在其表面上制备20～25微米厚的Al₂O₃绝缘层；对于其他金属结构材料，采用离子镀膜技术在其表面上沉积0.8～1微米厚的绝缘膜或采用磷化工艺在其表面制备20～30微米的磷化膜；所述的保护层是用以封闭处理传感层的704有机硅胶薄层或利用离子镀技术沉积的AlN薄膜；所述的传感层是在基体材料绝缘层上利用离子镀技术沉积6微米～15微米厚的金属、金属合金或金属化合物导电薄膜，具体处理步骤如下：A1工件预处理，即将制备绝缘层后的工件镀膜部位表面去油，依次采用三氯乙烯溶液超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗，然后烘干；A2根据金属结构危险部位分布和破坏形式设计制作微米传感元模版，包括掩模板和遮蔽底板；A3将微米传感元掩模板、遮蔽底板与制备了绝缘层的基体材料装卡配置，即：遮蔽底板固定在基体材料上，掩模板上漏出基体材料的部分用于沉积导电薄膜传感层；A4把固定好的基体材料需要制备微米传感元的工作面正对弧光蒸发源封入离子镀膜机真空室，抽真空至小于0.006Pa；A5通入氩气，使工作室真空度保持在1Pa左右，对基体加负偏压200V，进行离子轰击清洗10min；A6调整弧光蒸发源束流和负偏压，具体参数为：弧光蒸发源束流变化范围为30～60A，保持基体负偏压200V；A7微米传感元传感层导电薄膜采用间歇式沉积，当离子镀膜机真空室温度高于200摄氏度时，关闭弧电源，冷却至温度低于100摄氏度时打开弧电源，继续沉积，累积沉积时间为30～70min。