具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层

摘要

本发明涉及一种具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层，其是利用具有随附损伤特性的敏感末梢直接反映基体结构的损伤程度，无需分解结构，可用于难检部位、无需明确裂纹扩展可能方向以及可实时监测，简捷可靠，检测准确，适用性强。本发明包括设置于构件基体上的传感层，传感层由导电粒子、改性剂组成，厚度为几十纳米到几十微米之间，在传感层与构件基体之间设置有驱动层，驱动层分为有机材料驱动层和无机材料驱动层，无机材料驱动层由无机非导电材料组成，有机材料驱动层由有机非导电材料组成，驱动层与构件基体和传感层固化成一体，驱动层的厚度为几个微米到几百微米之间，在传感层外设置有保护层，保护层用非导电材料构成。

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种材料和机械结构损伤监测结构，尤其是涉及一种具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层。

二、背景技术：

目前常用的材料和机械结构损伤检测装置主要有涡流探伤仪、X射线探伤仪、磁力探伤仪、声发射结构损伤监测装置以及应力应变计等。这些装置有些只能用于事后检测，一般需要分解结构，不能用于过程监测；有些虽然能够用于过程监测，但容易受环境信号影响，可靠度不高，且不能应用于内部封闭结构或复杂结构损伤程度的监测。

三、实用新型内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层，其是利用具有随附损伤特性的敏感末梢直接反映基体结构的损伤程度，无需分解结构，可用于难检部位以及可实时监测，简捷可靠，检测准确，适用性强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层，其特殊之处在于：包括设置于构件基体上的传感层，传感层由导电粒子、改性剂组成，厚度为几十纳米到几十微米之间。

在传感层与构件基体之间设置有驱动层，驱动层分为有机材料驱动层和无机材料驱动层，无机材料驱动层由非导电无机材料如陶瓷材料、无机矿粉、改性剂组成，有机材料驱动层由非导电有机材料如锌黄底漆及其添加剂组成，驱动层与构件基体和传感层固化成一体，驱动层的厚度为几个微米到几百微米之间。

在传感层外设置有保护层，保护层用非导电材料如聚氨酯漆或陶瓷或密封胶构成。

信息智能涂层为双面布置或单面布置。

一种具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层的损伤探测方法，其特殊之处在于：按照构件的特征将信息智能涂层构成的敏感末梢布于结构危险部位，并与相应微处理器组成智能表层网络系统，整个系统按照系统软件设定对巡检仪指令工作，巡检工作时，系统将传感层送入的电阻信息转换成数据形式，与数据库的原始数据进行比较，从而判断基体或相应结构是否受损。

巡检仪的工作流程为：

(1)开始；

(2)系统初始化；

(3)启动A/D采集原始数据；

(4)将原始数据放入存储器；

(5)启动巡检指令；

(6)A/D数据采集；

(7)数据送入主模块进行分析处理；

(8)处理后的数据与原始数据比较，判断基体或相应结构是否受损，是则继续下一步，否则返回步骤(6)；

(9)LCD显示；

(10)是否超过报警门限值？是则启动报警装置，否则返回上一步。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明是利用具有随附损伤特性的敏感末梢直接反映基体结构的损伤程度，根据需要可以做到随时监测结构是否产生裂纹；如结构产生裂纹，还能够反映已产生裂纹的大小，并根据需要发出相应级别的报警信号。它与传统无损检测技术相比，具有无需分解结构、可用于难检部位、无需明确裂纹扩展可能方向、以及可实时监测等明显优势；与声发射监测技术相比更为简捷可靠，并更利于实际结构使用中的监测；与应力应变监测技术相比，更为准确，且适用性更强。

2、基于本发明的飞机结构健康状态随附损伤监测系统可极大地保障飞机的飞行安全，延长飞机使用寿命。此外，本发明还可推广到一切可能发生断裂失效的大型或重要装备，如潜艇、军舰、电站、桥梁、大型球罐、石油管道、海洋平台、航天飞机、载重汽车、矿山机械等，避免重大事故的发生，提高可靠性，大大延长各种装备的实际使用寿命，且可降低维护费用。

四、附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为智能驱动表层传感网络示意图。

图3为智能驱动表层传感网络另一示意图。

图4为结构健康监测系统工作示意图。

图5为巡检仪的工作流程图。

图中，1-保护层，2-传感层，3-驱动层，4-构件基体，5-敏感末梢。

五、具体实施方式：

本发明是利用具有随附损伤特性的损伤探测敏感末梢，“随附损伤”这一概念定义为：当敏感末梢(智能涂层)与结构基体紧密结合为一体时，其与基体发生的各类损伤行为具有相关的跟随特性，即可以通过敏感末梢的损伤行为来反映基体的损伤行为，具体体现在：①若结构基体产生裂纹，敏感末梢就产生裂纹；②若结构基体不产生裂纹，敏感末梢也不产生裂纹；③若结构基体已产生的裂纹发生扩展，则敏感末梢也发生相应裂纹扩展；④若结构基体已产生的裂纹不发生扩展，则敏感末梢也不发生相应裂纹扩展。

敏感末梢的构成有四种形式：①由驱动层、传感层和保护层三层复合而成；②由驱动层和传感层复合构成；③由传感层单独构成；④传感层和保护层复合组成。其中，驱动层可以分为有机材料驱动层和无机材料驱动层两大类：无机材料驱动层，如陶瓷材料、无机矿粉、改性剂等组成；有机材料驱动层，如锌黄底漆及其添加剂等组成。驱动层与构件基体和传感层固化(融合)成一体，具有良好的基体损伤随附特性：当结构件基体材料形成裂纹时，驱动层也形成裂纹，并驱动传感层产生裂纹，当基体裂纹扩展时，驱动层裂纹也扩展，并驱动传感层裂纹也扩展；驱动层的另一主要作用是隔离基体(根据需要)与传感层，使传感层的电参量信息不受基体的干扰；驱动层的厚度根据需要可以从几个微米到几十微米乃至上百微米变化。传感层由导电粒子、改性剂等组成，在驱动层的作用下，一旦产生裂纹和扩展，传感层的电参量(如电阻、电导等)将发生明显而有规律的变化，这些电参量的变化信息将通过损伤表征参量监测仪输入信息采集装置，因此传感层是具有随裂性的导电材料，传感层厚度可以为几十纳米到几十微米，根据需要进行选择。保护层主要起保护敏感末梢，特别是保护传感层以及根据需要起绝缘等作用，保护层的厚度限制不需太严格，可根据实际要求而定。

参见图1，图1所示为敏感末梢即信息智能涂层的四种型式的第一种，包括设置于构件基体上的传感层2，传感层由导电粒子、改性剂组成，厚度为几十纳米到几十微米之间，在传感层2与构件基体4之间设置有驱动层3，驱动层3分为有机材料驱动层和无机材料驱动层，无机材料驱动层由陶瓷材料、无机矿粉、改性剂组成，有机材料驱动层由锌黄底漆及其添加剂组成，驱动层3与构件基体4和传感层2固化成一体，驱动层3的厚度为几个微米到几百微米之间。在传感层2外设置有保护层1，保护层1用聚氨酯漆或陶瓷或密封胶构成。驱动层3、传感层2与构件基体1材料三位固化成一体，在待监测的结构各关键或危险部位(即易产生裂纹的高应力区)布成智能微型驱动表层传感网络，成为对载荷和环境累积损伤均具有自适应性的材料系统，监测结构的损伤程度。其中，敏感末梢5可以是双面布置，用于双面监测；也可以是单面布置，用于单面监测。图1为双面监测示意图。其它型式的敏感末梢与此类似。

其中，驱动层3可以用锌黄底漆H06-2或H06-3或三氧化二铝(Al₂O₃)等构成，添加剂为氧化锆(ZrO₂)，改性剂为氯化钯等。传感层2可以由铜、镍、银、金或石墨粉等导电体制作；保护层1可以用聚氨酯漆或陶瓷或密封胶等构成。

应用举例：(1)对于螺接件，在敏感末梢(信息智能涂层)的传感层宽度为1.2mm，厚度为15μm的情况下，如果将电阻的增量报警值设为0.06欧姆，则监测到的结构基体裂纹长度约为0.6～0.8mm。(2)对于铆接件，在敏感末梢(信息智能涂层)的传感层宽度为1.2mm，厚度为15μm的情况下，如果将电阻的增量报警值设为0.05欧姆，则监测到的结构基体裂纹长度约为0.5mm。(3)对于承受面内弯曲的结构件，在敏感末梢(信息智能涂层)的传感层宽度为1.2mm，厚度为15μm的情况下，如果将电阻的增量报警值设为0.06欧姆，则监测到的结构基体裂纹长度约为0.6～0.8mm。(4)对于承受横向弯曲的结构件，在敏感末梢(信息智能涂层)的传感层宽度为1.2mm，厚度为15μm的情况下，如果将电阻的增量报警值设为0.06欧姆，则监测到的结构基体裂纹长度约为0.5mm。

由敏感末梢可根据实际结构监测的需要构成多种形式的智能表层传感网络，图2和图3给出一个用于监测结构孔的例子。

参见图4，图4所示为结构健康监测系统工作示意图。按照构件的特征将由信息智能涂层构成的敏感末梢布于结构危险部位，并与相应微处理器组成智能网络系统，整个系统按照系统软件设定的对巡检指令工作。由于由智能涂层构成的敏感末梢具有随附损伤特性，因此敏感末梢与基体具有相同的表面裂纹产生特性、相同或相关裂纹扩展特性。巡检工作时，系统将传感层送入的电阻信息转换成数据形式，与数据库的原始数据进行比较，从而判断基体或相应结构是否受损。

参见图5，巡检仪工作过程如图5所示。启动巡检仪，系统初始化后进入工作状态。采集一次原始数据即结构的初始健康状态送存储器中。然后，巡检系统按软件设定的巡检周期进行巡检，A/D模数转换器将传感层送出的电阻信息转换成适合主模块DSP系统处理的数字信号，数据传入DSP系统进行分析处理，通过LCD显示器显示每一监测部位的电阻增量或绝对电阻值，与其相对应的电阻增量变化曲线或电阻变化曲线也能够直观显示出来。当监测部位电阻增量超过预设报警值时，启动报警并在LCD显示。

具体工作流程为：

(1)开始；

(2)系统初始化；

(3)启动A/D采集原始数据；

(4)将原始数据放入存储器；

(5)启动巡检指令；

(6)A/D数据采集；

(7)数据送入主模块进行分析处理；

(8)处理后的数据与原始数据比较，判断基体或相应结构是否受损，是则继续下一步，否则返回步骤(6)；

(9)LCD显示；

(10)是否超过报警门限值？是则启动报警装置，否则返回上一步。