[发明专利]一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于PVD(物理气相沉积)的传感元与金属基体的一体化集成方法。 

背景技术

金属结构是应用最为广泛的主承力结构，一旦发生损伤，往往会造成灾难性的后果。因此，金属结构健康监测在现代结构健康监控中所占的重要地位是毋庸置疑的。尽管现代结构健康监控技术经过30多年的发展，已经取得了长足的进步，但仍未能比较完善的解决金属结构的健康监测问题，其中一个亟待突破的瓶颈就是传感元件与金属结构基体的一体化集成问题。 

根据传感器布置位置和方式的不同，目前国内外有关传感器与结构一体化集成的方式方法大致可以分为以下几类： 

(1)埋入式 

埋入式集成方式最明显的特征是传感器置于结构内部，主要适用于复合材料结构，因为复合材料结构是多层结构，传感器可以方便的集成在层与层之间，实现对结构损伤的在线实时监测。采用埋入式集成方式的传感器主要包括：光纤传感器、压电传感器、超声传感器等。 

埋入式集成方式的优点是传感器与基体一体化集成程度高，可以实现原位监测；缺点则是传感器不易更换。对于金属结构来说，因为 一般是高温熔铸而成，伴随着几千度的高温，且内部无明显分层，所以不适用该集成方式。 

(2)粘贴式 

粘贴式是指通过各种粘接剂将传感器粘贴到结构的表面，实现一体化集成。粘贴式是应用时间最早、范围最广的传感器集成方式，应变片、压电传感器、声发射、超声传感器、涡流传感器等各类传感器均可应用该方式，澳大利亚结构监测系统(SMS)公司开发的相对真空传感器(CVM-Comparative Vacuum Monitoring sensor)、西安交通大学研发的“信息智能涂层”均采用了此种方式。 

粘贴式集成方式最大的优点是简单易行，适用范围广。其存在的主要问题包括：难以保证胶层厚度均匀，容易引起测量误差；耐久性有待提高，因为粘接剂大多是高分子有机材料，性能受温度、湿度变化影响较大，老化问题严重，寿命较短，大多只有几年，有的甚至更短，而金属结构的服役时间长达几十年，且服役期间要承受高低温、湿热、腐蚀、磨损等恶劣的工作环境作用，因此在提高粘贴式集成方式的可靠性、耐久性方面，目前仍有许多工作要做。 

(3)机械夹持式 

机械夹持式集成方式主要是指通过螺栓/螺母、夹板、搭接结构等通过夹持力的作用将传感器与监测结构集成在一起。比如PZT智能垫片、美国JENTEK公司开发的MWM-Array传感器等，均是采用的此种方式。 

机械夹持式集成方式的主要优点是可靠性高，传感器可以长时间原位监测。然而，该方式对传感器的要求比较高，必须要能承受夹持载荷的作用,并要有一定的耐磨损性能。为了保护传感器，通常要为传感器配备结实的外壳，要求必须要有一定的空间来满足装配尺寸的要求。所以这种方式的适用范围有限。 

(4)非接触式 

有些传感器可以不直接和结构相连接,实现非接触测量，如激光振动仪、剪切应力仪、涡流、激光超声、红外热谱仪、摄像仪等。因此，不存在传感器与基体结构的一体化集成问题。这类传感器通常安装在固定支架上的，而这个固定支架则必须与要监测的结构装配在一起或者是装配到被监测结构的附近，才能实现应用该传感器对结构热点部位的在线监测。所以，这类传感器的集成问题主要是指传感器的固定支架与结构本身的集成问题，同样面临装配尺寸的问题。 

总而言之，传感元件与金属基体的一体化集成是实现金属结构健康监测的前提与基础，探索和研究可靠的传感元件与金属基体的一体化集成技术，在不损伤金属结构原有性能、不影响结构原始装配尺寸的前提下，实现传感元件与金属结构的一体化集成，对于金属结构健康监控技术研究意义重大。 

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，本发明的目的在于提供一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成 方法，在不损伤金属结构原有性能、不影响结构原始装配尺寸的前提下，实现传感元件与金属结构的一体化集成。 

技术方案：一种基于PVD的传感元与金属基体的一体化集成方法，包括以下步骤： 

(1)将金属基底放入PVD镀膜仪的腔室，抽真空至小于6×10^-3Pa； 

(2)通过针阀向所述PVD镀膜仪的腔室中通入惰性气体，至所述PVD镀膜仪的腔室的真空度在0.3～1.3Pa为止； 

(3)对所述金属基体加负偏压100～300V，对所述金属基体进行惰性气体轰击清洗5～20min；