腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测.pdf

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1、2017年7月第43卷第7期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2017V01．43NO．7http：∥bhxb．buaa．edu．(311jbuaa@buaa．edu．crlDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0534腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测谭翔飞1，何宇廷1’8，侯波1’2，崔荣洪1，冯宇1(1．空军工程大学航空航天工程学院，西安710038；2．陆军航空兵研究所，北京101121)摘要：铜薄膜传感器在飞机金属结构损伤监测过程中，将

2、长期面临大气腐蚀环境的影响。针对此背景，研究了铜薄膜传感器在腐蚀环境下的耐蚀性能，及腐蚀后的疲劳裂纹监测性能。首先，采用脉冲偏压多弧离子镀技术在不同弧电流和基体负偏压水平下制备了一系列铜薄膜，对其耐蚀性能进行了对比研究。结果表明，在弧电流60A和基体负偏压250V时沉积的铜薄膜耐蚀性能最佳。然后，结合耐蚀性能最佳的沉积工艺参数，在2A12-T4铝合金中心孔板试件上制备了同心环状铜薄膜传感器阵列，并开展了盐雾腐蚀试验。最后，对腐蚀试验后的铜薄膜传感器进行了疲劳裂纹监测试验。结果表明：铜薄膜传感器在腐蚀环境下具有良好的耐蚀性能，耐蚀时间达l000h；腐蚀试验后的铜薄膜传感器对裂纹变

3、化敏感，能实现对裂纹定量监测，监测精度为lmm，监测结果具有良好的可重复性。关键词：结构健康监测；铜薄膜传感器；耐蚀性能；裂纹；金属结构中图分类号：V215．6；TP212．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)07．1433-09飞机在服役期间，作为主承力构件的金属结构，特别是在结构连接处，具有应力水平高、磨损程度大、使用年限长等特点，在疲劳载荷和腐蚀环境的耦合作用下极有可能产生裂纹，对飞行安全构成严重的威胁。因此，实现对疲劳裂纹的实时在线监测，判断其损伤程度，发出预警信息，对确保飞机的飞行安全具有重要意义‘1。2。。目前，国内外在飞机金属结构损伤监测领域取

4、得了一定的进展，应用效果较好的损伤监测传感器有光纤传感器‘31、涡流传感器H。、声发射传感器。5。、真空传感器⋯。等。但现有损伤监测传感器难以实现飞机金属结构的一体化集成，在现有的检测范围和精度下难以有效评估裂纹的扩展状态，难以承受大气腐蚀环境的严酷考验，且在耐久性、经济性方面存在众多的不足。71。因此，发展一种高可靠性、高耐久性、能承受大气腐蚀环境的裂纹监测技术十分必要。同时，文献[8-11]提出的应用现代表面技术与电位法监测原理相结合的铜薄膜传感器，在实验室环境下，能对金属结构裂纹进行实时在线监测，且能实现与金属结构的一体化集成，监测原理简单，对裂纹变化敏感，监测结果精度高

5、、范围广，综合效费比低，因此具有巨大的发展潜力。然而，在飞机使用寿命期内，与结构一体化集成的薄膜传感器在大气腐蚀环境中是否具有良好的耐蚀性能，在腐蚀环境影响后是否具有较高损伤监测敏感性和监测精度，是决定能否将其应用于现役飞机进行损伤监测的关键。在铜薄膜传感器研制过程中，铜薄膜作为导电传感层是薄膜传感器研究的核心。且铜薄膜的制备工艺、组织结构对其耐蚀性能具有重要的影响。近年来，国内外学者对铜薄膜的耐蚀性能开展了大量的研究。Yeganeh等¨2。“采用射频溅射收稿日期：2016-06-21；录用日期：2016-07-01；网络出版时间：2016-10—1009：07网络出版地址：W

6、WW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20161010．0907．006．html基金项目：国家自然科学基金(51201182)}通讯作者：E—mail：heyut666@126．corn引用格式：谭期飞，何字廷，侯波，等．腐蚀环境下铜薄膜传感器金属结构裂纹监测fJJ．北京航空航天大学学报，2017，43f7)：1433-1441．TANXF，HEyT，HOUB，eta1．Metalstructurecrackmonitoringbasedoncopperfilmsensorincorrosionenviron·meritfJj．Journalof

7、BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(7)：1433-144“inChinese)．1434北京航空航天大学学报2017年技术和电子束物理气相沉积技术制备了铜薄膜，通过动电位极化技术和电化学阻抗法，研究了铜薄膜的耐蚀性能；GobiSaravanan等。15。采用射频磁控溅射技术制备了Cu．Ni复合薄膜，研究了复合薄膜的微观结构和耐蚀性能；崔荣洪等¨“”。采用超声电沉积法制备了铜薄膜，通过金相显微观察和x射线衍射等方法，研究