一種用于裂紋擴(kuò)展監(jiān)測的微米柵傳感器及裂紋擴(kuò)展監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料斷裂韌性測試領(lǐng)域及疲勞裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于金屬材料表面裂紋擴(kuò)展監(jiān)測的微米柵線傳感器及應(yīng)用所述微米柵線傳感器進(jìn)行裂紋擴(kuò)展監(jiān)測和測量的方法，可應(yīng)用于金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性測量，航空、汽車制造、橋梁及大型機(jī)械裝備等典型金屬結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002]微米柵線傳感器是一種應(yīng)用現(xiàn)代表面微加工技術(shù)得到的具有顯微微結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器，其優(yōu)點(diǎn)在于可通過紫外曝光等微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)密的柵線結(jié)構(gòu)，從而通過調(diào)整柵線密度和寬度在提高薄膜電阻和空間分辨率兩者之間進(jìn)行任意調(diào)整。隨裂紋擴(kuò)展，柵線斷裂，由于柵線間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得宏觀表現(xiàn)為電阻的升高，而且電阻的變化率與斷裂的柵線比率呈正比例關(guān)系。由此，可利用該柵線結(jié)構(gòu)對裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)的全程監(jiān)測。
[0003]微米柵傳感單元能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋的開裂情況。該技術(shù)與目前常用的無損檢測方法如:聲發(fā)射、超聲波、電磁相比，在在線監(jiān)測方面具有更獨(dú)特的優(yōu)勢，它成本低廉，易于與金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，對使用環(huán)境沒有特殊要求，所需配套測量可選用任一款市售商用的應(yīng)變測量儀器，可大大節(jié)省測量成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種用于金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋擴(kuò)展監(jiān)測的微米柵傳感器及裂紋擴(kuò)展監(jiān)測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋擴(kuò)展過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測及裂紋長度的實(shí)時(shí)測量。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下。
[0006]一種用于金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋擴(kuò)展監(jiān)測的微米柵傳感器，所述的微米柵傳感器為雙層結(jié)構(gòu)，底層為超薄柔性高分子襯底層，頂層為導(dǎo)電的微米柵線層，柵線之間采用平行排列的并聯(lián)方式；微米柵線層厚度為納米級，優(yōu)選為50?100納米；柵線尺度及柵線之間的間隔為微米級，優(yōu)選為10?100微米；該微米柵傳感器通過硬質(zhì)粘接劑與待測金屬結(jié)構(gòu)表面粘附，實(shí)時(shí)監(jiān)測金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋的擴(kuò)展情況；所述微米柵傳感器的幾何尺寸、柵線尺度和密度可根據(jù)實(shí)際測量的空間分辨率和精度需要進(jìn)行任意調(diào)整，提高空間分辨率的方法為增加?xùn)啪€的密度，提高精度的方法為降低柵線的寬度，微米柵傳感器的幾何尺寸需覆蓋預(yù)期的裂紋擴(kuò)展長度。
[0007]所述的襯底層為一層高分子柔性薄膜，主要用于支撐微米柵線層、傳遞載荷和與金屬表面絕緣，襯底層中高分子柔性薄膜厚度一般不超過25微米，需具有良好的裂紋隨附開裂特性，可隨金屬結(jié)構(gòu)表面的裂紋一起開裂。
[0008]所述的微米柵線層是在襯底層表面利用紫外曝光、鍍膜和剝離技術(shù)制備的一層具有平行柵線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層，具體處理步驟為:
[0009](I)高分子薄膜襯底清洗:即將薄膜依次分別置于無水乙醇、丙酮、異丙醇溶劑中超聲波清洗，然后烘干；所述的高分子薄膜可以選擇聚酰亞胺薄膜、PET薄膜、PVC薄膜等。
[0010](2)使用高速勻膠機(jī)在高分子薄膜表面均勻涂布一層負(fù)性光刻膠，負(fù)性光刻膠厚度控制在I微米以下，并以適當(dāng)溫度(100°C?150°C )前烘；
[0011](3)在紫外曝光機(jī)上使用微米柵掩膜板對涂布有負(fù)性光刻膠的高分子薄膜進(jìn)行紫外曝光，將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移至高分子薄膜表面，并以適當(dāng)溫度(100°C左右)后烘，以顯影液顯影，去離子水定影處理；
[0012](4)采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)鍍膜的方法，在經(jīng)過紫外曝光光刻的高分子薄膜表面蒸鍍高電阻率的導(dǎo)電材料，如金屬Cr、Ni等，導(dǎo)電材料厚度依據(jù)對電阻的需求而定，一般可控制在百納米級；
[0013](5)剝離:采用丙酮或去膠液(如HL203等)溶解鍍膜后高分子薄膜表面的光刻膠，使高分子薄膜表面呈現(xiàn)平行柵線的圖形。
[0014]所述微米柵掩膜板為根據(jù)實(shí)際需要而設(shè)計(jì)，其幾何尺寸隨裂紋長度及走向而定，核心是要保證每條柵線的斷裂均能帶來一致的阻值變化，其設(shè)計(jì)過程需綜合考慮電極的布置、柵線間隔、柵線寬度等因素。
[0015]一種基于所述微米柵傳感器的金屬表面裂紋擴(kuò)展監(jiān)測方法，該監(jiān)測方法是在金屬結(jié)構(gòu)表面裂紋尖端未開裂區(qū)域布置微米柵傳感器，作為測量柵，使平行柵線均垂直于裂紋開裂方向，此外，在無裂紋區(qū)域布置相同的微米柵傳感器作為參考柵，采用惠斯通電橋半橋測量方法測量測量柵的電阻。布置參考柵的目的是中和柵線在測量工程中產(chǎn)生的熱噪聲。隨金屬表面裂紋的擴(kuò)展，測量柵的薄膜襯底隨表面裂紋一起開裂，從而引起微米柵線的逐一斷裂，由于柵線間的并聯(lián)關(guān)系，使得其并聯(lián)總電阻隨裂紋的開裂而升高，進(jìn)而實(shí)時(shí)反應(yīng)裂紋的長度和對時(shí)間的變化情況。裂紋長度變化可通過電阻變化比率計(jì)算得到。
[0016]所述惠斯通電橋，可選擇任意目前商用的全橋應(yīng)變測量裝置進(jìn)行測量。測量結(jié)果僅需測量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)的無量綱比例關(guān)系，因此對測量結(jié)果單位無明確要求。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]1、微米柵線結(jié)構(gòu)直接接觸裂紋表面，并隨裂紋儀器開裂，是監(jiān)測裂紋擴(kuò)展情況的最直接方法；
[0019]2、適用溫度覆蓋超低溫_196°C至中高溫300°C范圍，尤其是在超低溫下具有獨(dú)特的適用性優(yōu)勢；
[0020]3、無過多的空間尺度要求，可用于顯微鏡等監(jiān)測方法不能適用的情況；
[0021]4、成本低廉。
【附圖說明】
[0022]圖1為微米柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為微米柵傳感器制作流程示意圖；
[0024]圖3為在緊湊拉伸試樣表面進(jìn)行裂紋開裂測量的示意圖；
[0025]圖4為微米柵接入惠斯通電橋半橋測量電路圖；
[0026]圖5為微米柵傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)及裂紋長度的對比數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面以金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性測試用的緊湊拉伸試樣結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0028]緊湊拉伸試樣已經(jīng)在疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制了裂紋，疲勞裂紋將沿與拉伸軸垂直的方向擴(kuò)展。預(yù)制疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂的裂紋長度不會超過20_，因此設(shè)計(jì)平行排列柵線的總長度控制在20_即可。設(shè)計(jì)制作