專利名稱：具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料和機械結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層。
背景技術(shù)：
目前常用的材料和機械結(jié)構(gòu)損傷檢測裝置主要有渦流探傷儀、X射線探傷儀、磁力探傷儀、聲發(fā)射結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測裝置以及應(yīng)力應(yīng)變計等。這些裝置有些只能用于事后檢測，一般需要分解結(jié)構(gòu)，不能用于過程監(jiān)測；有些雖然能夠用于過程監(jiān)測，但容易受環(huán)境信號影響，可靠度不高，且不能應(yīng)用于內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷程度的監(jiān)測。
三、實用新型內(nèi)容本發(fā)明為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其是利用具有隨附損傷特性的敏感末梢直接反映基體結(jié)構(gòu)的損傷程度，無需分解結(jié)構(gòu)，可用于難檢部位以及可實時監(jiān)測，簡捷可靠，檢測準(zhǔn)確，適用性強。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特殊之處在于包括設(shè)置于構(gòu)件基體上的傳感層，傳感層由導(dǎo)電粒子、改性劑組成，厚度為幾十納米到幾十微米之間。
在傳感層與構(gòu)件基體之間設(shè)置有驅(qū)動層，驅(qū)動層分為有機材料驅(qū)動層和無機材料驅(qū)動層，無機材料驅(qū)動層由非導(dǎo)電無機材料如陶瓷材料、無機礦粉、改性劑組成，有機材料驅(qū)動層由非導(dǎo)電有機材料如鋅黃底漆及其添加劑組成，驅(qū)動層與構(gòu)件基體和傳感層固化成一體，驅(qū)動層的厚度為幾個微米到幾百微米之間。
在傳感層外設(shè)置有保護(hù)層，保護(hù)層用非導(dǎo)電材料如聚氨酯漆或陶瓷或密封膠構(gòu)成。
信息智能涂層為雙面布置或單面布置。
一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層的損傷探測方法，其特殊之處在于按照構(gòu)件的特征將信息智能涂層構(gòu)成的敏感末梢布于結(jié)構(gòu)危險部位，并與相應(yīng)微處理器組成智能表層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)按照系統(tǒng)軟件設(shè)定對巡檢儀指令工作，巡檢工作時，系統(tǒng)將傳感層送入的電阻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式，與數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損。
巡檢儀的工作流程為(1)開始；(2)系統(tǒng)初始化；(3)啟動A/D采集原始數(shù)據(jù)；(4)將原始數(shù)據(jù)放入存儲器；(5)啟動巡檢指令；(6)A/D數(shù)據(jù)采集；(7)數(shù)據(jù)送入主模塊進(jìn)行分析處理；(8)處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較，判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損，是則繼續(xù)下一步，否則返回步驟(6)；(9)LCD顯示；(10)是否超過報警門限值？是則啟動報警裝置，否則返回上一步。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和效果如下1、本發(fā)明是利用具有隨附損傷特性的敏感末梢直接反映基體結(jié)構(gòu)的損傷程度，根據(jù)需要可以做到隨時監(jiān)測結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂紋；如結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，還能夠反映已產(chǎn)生裂紋的大小，并根據(jù)需要發(fā)出相應(yīng)級別的報警信號。它與傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)相比，具有無需分解結(jié)構(gòu)、可用于難檢部位、無需明確裂紋擴展可能方向、以及可實時監(jiān)測等明顯優(yōu)勢；與聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)相比更為簡捷可靠，并更利于實際結(jié)構(gòu)使用中的監(jiān)測；與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)相比，更為準(zhǔn)確，且適用性更強。
2、基于本發(fā)明的飛機結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)隨附損傷監(jiān)測系統(tǒng)可極大地保障飛機的飛行安全，延長飛機使用壽命。此外，本發(fā)明還可推廣到一切可能發(fā)生斷裂失效的大型或重要裝備，如潛艇、軍艦、電站、橋梁、大型球罐、石油管道、海洋平臺、航天飛機、載重汽車、礦山機械等，避免重大事故的發(fā)生，提高可靠性，大大延長各種裝備的實際使用壽命，且可降低維護(hù)費用。
四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為智能驅(qū)動表層傳感網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖3為智能驅(qū)動表層傳感網(wǎng)絡(luò)另一示意圖。
圖4為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖。
圖5為巡檢儀的工作流程圖。
圖中，1-保護(hù)層，2-傳感層，3-驅(qū)動層，4-構(gòu)件基體，5-敏感末梢。
五具體實施例方式本發(fā)明是利用具有隨附損傷特性的損傷探測敏感末梢，“隨附損傷”這一概念定義為當(dāng)敏感末梢(智能涂層)與結(jié)構(gòu)基體緊密結(jié)合為一體時，其與基體發(fā)生的各類損傷行為具有相關(guān)的跟隨特性，即可以通過敏感末梢的損傷行為來反映基體的損傷行為，具體體現(xiàn)在①若結(jié)構(gòu)基體產(chǎn)生裂紋，敏感末梢就產(chǎn)生裂紋；②若結(jié)構(gòu)基體不產(chǎn)生裂紋，敏感末梢也不產(chǎn)生裂紋；③若結(jié)構(gòu)基體已產(chǎn)生的裂紋發(fā)生擴展，則敏感末梢也發(fā)生相應(yīng)裂紋擴展；④若結(jié)構(gòu)基體已產(chǎn)生的裂紋不發(fā)生擴展，則敏感末梢也不發(fā)生相應(yīng)裂紋擴展。
敏感末梢的構(gòu)成有四種形式①由驅(qū)動層、傳感層和保護(hù)層三層復(fù)合而成；②由驅(qū)動層和傳感層復(fù)合構(gòu)成；③由傳感層單獨構(gòu)成；④傳感層和保護(hù)層復(fù)合組成。其中，驅(qū)動層可以分為有機材料驅(qū)動層和無機材料驅(qū)動層兩大類無機材料驅(qū)動層，如陶瓷材料、無機礦粉、改性劑等組成；有機材料驅(qū)動層，如鋅黃底漆及其添加劑等組成。驅(qū)動層與構(gòu)件基體和傳感層固化(融合)成一體，具有良好的基體損傷隨附特性當(dāng)結(jié)構(gòu)件基體材料形成裂紋時，驅(qū)動層也形成裂紋，并驅(qū)動傳感層產(chǎn)生裂紋，當(dāng)基體裂紋擴展時，驅(qū)動層裂紋也擴展，并驅(qū)動傳感層裂紋也擴展；驅(qū)動層的另一主要作用是隔離基體(根據(jù)需要)與傳感層，使傳感層的電參量信息不受基體的干擾；驅(qū)動層的厚度根據(jù)需要可以從幾個微米到幾十微米乃至上百微米變化。傳感層由導(dǎo)電粒子、改性劑等組成，在驅(qū)動層的作用下，一旦產(chǎn)生裂紋和擴展，傳感層的電參量(如電阻、電導(dǎo)等)將發(fā)生明顯而有規(guī)律的變化，這些電參量的變化信息將通過損傷表征參量監(jiān)測儀輸入信息采集裝置，因此傳感層是具有隨裂性的導(dǎo)電材料，傳感層厚度可以為幾十納米到幾十微米，根據(jù)需要進(jìn)行選擇。保護(hù)層主要起保護(hù)敏感末梢，特別是保護(hù)傳感層以及根據(jù)需要起絕緣等作用，保護(hù)層的厚度限制不需太嚴(yán)格，可根據(jù)實際要求而定。
參見圖1，圖1所示為敏感末梢即信息智能涂層的四種型式的第一種，包括設(shè)置于構(gòu)件基體上的傳感層2，傳感層由導(dǎo)電粒子、改性劑組成，厚度為幾十納米到幾十微米之間，在傳感層2與構(gòu)件基體4之間設(shè)置有驅(qū)動層3，驅(qū)動層3分為有機材料驅(qū)動層和無機材料驅(qū)動層，無機材料驅(qū)動層由陶瓷材料、無機礦粉、改性劑組成，有機材料驅(qū)動層由鋅黃底漆及其添加劑組成，驅(qū)動層3與構(gòu)件基體4和傳感層2固化成一體，驅(qū)動層3的厚度為幾個微米到幾百微米之間。在傳感層2外設(shè)置有保護(hù)層1，保護(hù)層1用聚氨酯漆或陶瓷或密封膠構(gòu)成。驅(qū)動層3、傳感層2與構(gòu)件基體1材料三位固化成一體，在待監(jiān)測的結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵或危險部位(即易產(chǎn)生裂紋的高應(yīng)力區(qū))布成智能微型驅(qū)動表層傳感網(wǎng)絡(luò)，成為對載荷和環(huán)境累積損傷均具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷程度。其中，敏感末梢5可以是雙面布置，用于雙面監(jiān)測；也可以是單面布置，用于單面監(jiān)測。圖1為雙面監(jiān)測示意圖。其它型式的敏感末梢與此類似。
其中，驅(qū)動層3可以用鋅黃底漆H06-2或H06-3或三氧化二鋁(Al2O3)等構(gòu)成，添加劑為氧化鋯(ZrO2)，改性劑為氯化鈀等。傳感層2可以由銅、鎳、銀、金或石墨粉等導(dǎo)電體制作；保護(hù)層1可以用聚氨酯漆或陶瓷或密封膠等構(gòu)成。
應(yīng)用舉例(1)對于螺接件，在敏感末梢(信息智能涂層)的傳感層寬度為1.2mm，厚度為15μm的情況下，如果將電阻的增量報警值設(shè)為0.06歐姆，則監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)基體裂紋長度約為0.6～0.8mm。(2)對于鉚接件，在敏感末梢(信息智能涂層)的傳感層寬度為1.2mm，厚度為15μm的情況下，如果將電阻的增量報警值設(shè)為0.05歐姆，則監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)基體裂紋長度約為0.5mm。(3)對于承受面內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu)件，在敏感末梢(信息智能涂層)的傳感層寬度為1.2mm，厚度為15μm的情況下，如果將電阻的增量報警值設(shè)為0.06歐姆，則監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)基體裂紋長度約為0.6～0.8mm。(4)對于承受橫向彎曲的結(jié)構(gòu)件，在敏感末梢(信息智能涂層)的傳感層寬度為1.2mm，厚度為15μm的情況下，如果將電阻的增量報警值設(shè)為0.06歐姆，則監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)基體裂紋長度約為0.5mm。
由敏感末梢可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測的需要構(gòu)成多種形式的智能表層傳感網(wǎng)絡(luò)，圖2和圖3給出一個用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)孔的例子。
參見圖4，圖4所示為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖。按照構(gòu)件的特征將由信息智能涂層構(gòu)成的敏感末梢布于結(jié)構(gòu)危險部位，并與相應(yīng)微處理器組成智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)按照系統(tǒng)軟件設(shè)定的對巡檢指令工作。由于由智能涂層構(gòu)成的敏感末梢具有隨附損傷特性，因此敏感末梢與基體具有相同的表面裂紋產(chǎn)生特性、相同或相關(guān)裂紋擴展特性。巡檢工作時，系統(tǒng)將傳感層送入的電阻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式，與數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損。
參見圖5，巡檢儀工作過程如圖5所示。啟動巡檢儀，系統(tǒng)初始化后進(jìn)入工作狀態(tài)。采集一次原始數(shù)據(jù)即結(jié)構(gòu)的初始健康狀態(tài)送存儲器中。然后，巡檢系統(tǒng)按軟件設(shè)定的巡檢周期進(jìn)行巡檢，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將傳感層送出的電阻信息轉(zhuǎn)換成適合主模塊DSP系統(tǒng)處理的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)傳入DSP系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，通過LCD顯示器顯示每一監(jiān)測部位的電阻增量或絕對電阻值，與其相對應(yīng)的電阻增量變化曲線或電阻變化曲線也能夠直觀顯示出來。當(dāng)監(jiān)測部位電阻增量超過預(yù)設(shè)報警值時，啟動報警并在LCD顯示。
具體工作流程為(1)開始；
(2)系統(tǒng)初始化；(3)啟動A/D采集原始數(shù)據(jù)；(4)將原始數(shù)據(jù)放入存儲器；(5)啟動巡檢指令；(6)A/D數(shù)據(jù)采集；(7)數(shù)據(jù)送入主模塊進(jìn)行分析處理；(8)處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較，判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損，是則繼續(xù)下一步，否則返回步驟(6)；(9)LCD顯示；(10)是否超過報警門限值？是則啟動報警裝置，否則返回上一步。
權(quán)利要求
1.一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于包括設(shè)置于構(gòu)件基體(4)上的傳感層(2)，傳感層(2)由導(dǎo)電粒子、改性劑組成，厚度為幾十納米到幾十微米之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于在傳感層(2)與構(gòu)件基體(4)之間設(shè)置有驅(qū)動層，驅(qū)動層分為有機材料驅(qū)動層或無機材料驅(qū)動層，無機材料驅(qū)動層由無機非導(dǎo)電材料組成，有機材料驅(qū)動層由有機非導(dǎo)電材料組成，驅(qū)動層與構(gòu)件基體和傳感層固化成一體，驅(qū)動層的厚度為幾個微米到幾百微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于在傳感層外設(shè)置有保護(hù)層，保護(hù)層用非導(dǎo)電材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于信息智能涂層為雙面布置或單面布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于組成無機材料驅(qū)動層的無機非導(dǎo)電材料包括陶瓷材料、無機礦粉、改性劑，組成有機材料驅(qū)動層的有機非導(dǎo)電材料包括鋅黃底漆及其添加劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其特征在于組成保護(hù)層的非導(dǎo)電材料包括聚氨酯漆或陶瓷或密封膠。
7.一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層的損傷探測方法，其特征在于按照構(gòu)件的特征將信息智能涂層布于結(jié)構(gòu)危險部位，并與相應(yīng)微處理器組成智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)按照系統(tǒng)軟件設(shè)定對巡檢儀指令工作，巡檢工作時，系統(tǒng)將傳感層送入的電阻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式，與數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層的損傷探測方法，其特征在于巡檢儀的工作流程為(1)開始；(2)系統(tǒng)初始化；(3)啟動A/D采集原始數(shù)據(jù)；(4)將原始數(shù)據(jù)放入存儲器；(5)啟動巡檢指令；(6)A/D數(shù)據(jù)采集；(7)數(shù)據(jù)送入主模塊進(jìn)行分析處理；(8)處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較，判斷基體或相應(yīng)結(jié)構(gòu)是否受損，是則繼續(xù)下一步，否則返回步驟(6)；(9)LCD顯示；(10)是否超過報警門限值？是則啟動報警裝置，否則返回上一步。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有隨附損傷特性的損傷探測信息智能涂層，其是利用具有隨附損傷特性的敏感末梢直接反映基體結(jié)構(gòu)的損傷程度，無需分解結(jié)構(gòu)，可用于難檢部位、無需明確裂紋擴展可能方向以及可實時監(jiān)測，簡捷可靠，檢測準(zhǔn)確，適用性強。本發(fā)明包括設(shè)置于構(gòu)件基體上的傳感層，傳感層由導(dǎo)電粒子、改性劑組成，厚度為幾十納米到幾十微米之間，在傳感層與構(gòu)件基體之間設(shè)置有驅(qū)動層，驅(qū)動層分為有機材料驅(qū)動層和無機材料驅(qū)動層，無機材料驅(qū)動層由無機非導(dǎo)電材料組成，有機材料驅(qū)動層由有機非導(dǎo)電材料組成，驅(qū)動層與構(gòu)件基體和傳感層固化成一體，驅(qū)動層的厚度為幾個微米到幾百微米之間，在傳感層外設(shè)置有保護(hù)層，保護(hù)層用非導(dǎo)電材料構(gòu)成。
文檔編號G06F17/00GK1928539SQ200610104559
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者呂志剛, 劉馬寶, 戚燕杰, 趙文軫, 席酉民 申請人:呂志剛, 劉馬寶