一種基于pvd的傳感元與金屬基體的一體化集成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，其包括以下步驟：1將金屬基底放入PVD鍍膜儀腔室，抽真空至小于6×10-3Pa；2向PVD鍍膜儀腔室中通入惰性氣體，至PVD鍍膜儀腔室的真空度在0.3～1.3Pa為止；3對金屬基體加負偏壓100～300V，對金屬基體進行惰性氣體轟擊清洗5～20min；4對金屬基體加負偏壓60～150V，以金屬為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至50～80A，鍍膜30～80min，在金屬基體表面形成傳感元膜層；5隨爐冷至100℃以下，取出金屬基體即可。通過該方法集成的PVD傳感元結合強度高、耐磨損、耐腐蝕，能適應金屬基體的工作環(huán)境，與金屬基體同壽。
【專利說明】—種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬結構健康監(jiān)測【技術領域】，具體涉及一種基于PVD (物理氣相沉積)的傳感元與金屬基體的一體化集成方法。

【背景技術】
[0002]金屬結構是應用最為廣泛的主承力結構，一旦發(fā)生損傷，往往會造成災難性的后果。因此，金屬結構健康監(jiān)測在現(xiàn)代結構健康監(jiān)控中所占的重要地位是毋庸置疑的。盡管現(xiàn)代結構健康監(jiān)控技術經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步，但仍未能比較完善的解決金屬結構的健康監(jiān)測問題，其中一個亟待突破的瓶頸就是傳感元件與金屬結構基體的一體化集成問題。
[0003]根據(jù)傳感器布置位置和方式的不同，目前國內外有關傳感器與結構一體化集成的方式方法大致可以分為以下幾類:
[0004](I)埋入式
[0005]埋入式集成方式最明顯的特征是傳感器置于結構內部，主要適用于復合材料結構，因為復合材料結構是多層結構，傳感器可以方便的集成在層與層之間，實現(xiàn)對結構損傷的在線實時監(jiān)測。采用埋入式集成方式的傳感器主要包括:光纖傳感器、壓電傳感器、超聲傳感器等。
[0006]埋入式集成方式的優(yōu)點是傳感器與基體一體化集成程度高，可以實現(xiàn)原位監(jiān)測；缺點則是傳感器不易更換。對于金屬結構來說，因為一般是高溫熔鑄而成，伴隨著幾千度的高溫，且內部無明顯分層，所以不適用該集成方式。
[0007](2)粘貼式
[0008]粘貼式是指通過各種粘接劑將傳感器粘貼到結構的表面，實現(xiàn)一體化集成。粘貼式是應用時間最早、范圍最廣的傳感器集成方式，應變片、壓電傳感器、聲發(fā)射、超聲傳感器、渦流傳感器等各類傳感器均可應用該方式，澳大利亞結構監(jiān)測系統(tǒng)(SMS)公司開發(fā)的相對真空傳感器(CVM-Comparative Vacuum Monitoring sensor)、西安交通大學研發(fā)的“信息智能涂層”均采用了此種方式。
[0009]粘貼式集成方式最大的優(yōu)點是簡單易行，適用范圍廣。其存在的主要問題包括:難以保證膠層厚度均勻，容易引起測量誤差；耐久性有待提高，因為粘接劑大多是高分子有機材料，性能受溫度、濕度變化影響較大，老化問題嚴重，壽命較短，大多只有幾年，有的甚至更短，而金屬結構的服役時間長達幾十年，且服役期間要承受高低溫、濕熱、腐蝕、磨損等惡劣的工作環(huán)境作用，因此在提高粘貼式集成方式的可靠性、耐久性方面，目前仍有許多工作要做。
[0010](3)機械夾持式
[0011]機械夾持式集成方式主要是指通過螺栓/螺母、夾板、搭接結構等通過夾持力的作用將傳感器與監(jiān)測結構集成在一起。比如PZT智能墊片、美國JENTEK公司開發(fā)的MWM-Array傳感器等,均是采用的此種方式。
[0012]機械夾持式集成方式的主要優(yōu)點是可靠性高，傳感器可以長時間原位監(jiān)測。然而，該方式對傳感器的要求比較高，必須要能承受夾持載荷的作用，并要有一定的耐磨損性能。為了保護傳感器，通常要為傳感器配備結實的外殼，要求必須要有一定的空間來滿足裝配尺寸的要求。所以這種方式的適用范圍有限。
[0013]⑷非接觸式
[0014]有些傳感器可以不直接和結構相連接，實現(xiàn)非接觸測量，如激光振動儀、剪切應力儀、渦流、激光超聲、紅外熱譜儀、攝像儀等。因此，不存在傳感器與基體結構的一體化集成問題。這類傳感器通常安裝在固定支架上的，而這個固定支架則必須與要監(jiān)測的結構裝配在一起或者是裝配到被監(jiān)測結構的附近，才能實現(xiàn)應用該傳感器對結構熱點部位的在線監(jiān)測。所以，這類傳感器的集成問題主要是指傳感器的固定支架與結構本身的集成問題，同樣面臨裝配尺寸的問題。
[0015]總而言之，傳感元件與金屬基體的一體化集成是實現(xiàn)金屬結構健康監(jiān)測的前提與基礎，探索和研究可靠的傳感元件與金屬基體的一體化集成技術，在不損傷金屬結構原有性能、不影響結構原始裝配尺寸的前提下，實現(xiàn)傳感元件與金屬結構的一體化集成，對于金屬結構健康監(jiān)控技術研究意義重大。


【發(fā)明內容】

[0016]發(fā)明目的:本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術存在的問題做出改進，本發(fā)明的目的在于提供一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，在不損傷金屬結構原有性能、不影響結構原始裝配尺寸的前提下，實現(xiàn)傳感元件與金屬結構的一體化集成。
[0017]技術方案:一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，包括以下步驟:
[0018](I)將金屬基底放入PVD鍍膜儀的腔室，抽真空至小于6X 10_3Pa ；
[0019](2)通過針閥向所述PVD鍍膜儀的腔室中通入惰性氣體，至所述PVD鍍膜儀的腔室的真空度在0.3?1.3Pa為止；
[0020](3)對所述金屬基體加負偏壓100?300V，對所述金屬基體進行惰性氣體轟擊清洗 5 ?20min ；
[0021](4)對步驟(3)所述金屬基體加負偏壓60?150V，以傳感元材質金屬為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至50?80A，進行PVD鍍膜30?80min，在步驟(3)所述金屬基體表面形成傳感元膜層；
[0022](5)隨爐冷至100°C以下，取出步驟(4)所述金屬基體即可。
[0023]作為本發(fā)明中基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法的一種優(yōu)選方案:所述金屬基底是經(jīng)過表面絕緣化處理的金屬工件。
[0024]作為本發(fā)明中基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法的一種優(yōu)選方案:步驟(I)將金屬基底放入PVD鍍膜儀的腔室之前，所述金屬基底需要預處理，所述預處理包括以下步驟:
[0025](I)利用肥皂和清水將所述金屬基底去油；
[0026](2)將所述金屬基底放入三氯乙烯中超聲清洗；
[0027](3)將所述金屬基底放入液態(tài)氟利昂中超聲清洗；
[0028](4)將所述金屬基底放入清水超聲清洗；
[0029](5)將所述金屬基底放入去離子水超聲清洗；
[0030](6)將所述金屬基底放入烘箱烘干。
[0031]作為本發(fā)明中基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法的一種優(yōu)選方案:步驟(I)所述抽真空包括以下步驟:
[0032](11)關閉高閥，打開前級閥，用機械泵抽真空至20Pa ；
[0033](12)擴散泵通冷卻水，并打開擴散泵，所述擴散泵加熱至少40min ；
[0034](13)將真空抽氣系統(tǒng)的氣路閥門調至前級/高閥處，并打開所述高閥，使用所述擴散泵進一步抽真空，直到PVD鍍膜儀的腔室的真空度小于6X 10_3Pa為止。
[0035]作為本發(fā)明中基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法的一種優(yōu)選方案:步驟(3)所述靶材為黃銅、鋁、銀、鎂、不銹鋼、鈦中的一種或幾種。
[0036]作為本發(fā)明中基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法的一種優(yōu)選方案:步驟(3)所述的傳感元膜層的厚度為2?8 μ m。
[0037]有益效果:本發(fā)明提出的基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果:
[0038](I)不需要粘結劑和夾持裝置，通過PVD技術實現(xiàn)傳感元與金屬基體的一體化集成；
[0039](2) PVD傳感元與金屬基體的一體化集成過程，不會對金屬基體本身的性能與功能產生任何不良影響；
[0040](3)通過該方法集成的PVD傳感元結合強度高，壽命長，能夠承受載荷、耐磨損、耐腐蝕，能適應金屬基體的工作環(huán)境，與金屬基體本身同壽。
[0041](4)PVD傳感元前后金屬基體的疲勞壽命無明顯變化，對折彎曲100次以上PVD傳感元不鼓泡、不脫落，耐鹽霧試驗超過200小時。

【具體實施方式】
:
[0042]下面對本發(fā)明的【具體實施方式】詳細說明。
[0043]具體實施例1
[0044]一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，包括以下步驟:
[0045](I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金(即金屬基體)放入PVD鍍膜儀的腔室，抽真空至 6 X KT3Pa ；
[0046]上述鋁合金的表面絕緣化處理包括以下步驟:
[0047](a)將試樣用砂紙研磨至800號后，采用四氯化碳、三氯乙烯等有機溶劑進行清洗，然后晾干；
[0048](b) 50?70°C條件下在3.5%?9%的氫氧化鈉溶液中進行堿腐蝕3?10分鐘；
[0049](c)堿蝕后的試樣采用熱水(40°C?60°C )、冷水的二重清洗，其后室溫下在300g/L ?400g/L 硝酸(1.42 X 103kg/m3)溶液中浸洗 3 ?5min ;
[0050](d)在50g/L?60g/L之間濃度的鉻酸溶液中，在3min內由OV升至20V，保持陽極電流密度0.5?0.8A/dm2、溫度35°C ±2°C至表面絕緣化結束(氧化時間應根據(jù)所需膜厚來確定，但不宜超過60min);表面絕緣化結束后應及時水洗；
[0051](e)采用可溶性固體總量不超過100mg/L、Cr03彡3.0X 10'PH值為3.2?4.5的稀鉻酸進行封閉，溫度90°C?96°C ;時間8min?12min ；
[0052](f)將工件用去離子水清洗，并吹干。
[0053](2)通過針閥向PVD鍍膜儀的腔室中通入氬氣，至離子濺射PVD鍍膜儀的腔室的真空度在0.3Pa為止；
[0054](3)對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓300V，對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金進行IS氣轟擊清洗20min ；
[0055](4)對步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓60V，以黃銅為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至50A，進行PVD鍍膜80min，在步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的招合金表面形成厚度為6 μ m左右的黃銅傳感兀膜層；
[0056](5)隨爐冷至100°C，取出步驟⑷經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金即可。
[0057]本實施例中，步驟(I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入PVD鍍膜儀的腔室之前，經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金需要預處理，預處理包括以下步驟:
[0058](I)利用肥皂和清水將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金去油；
[0059](2)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入三氯乙烯中超聲清洗；
[0060](3)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入液態(tài)氟利昂中超聲清洗；
[0061](4)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入清水超聲清洗；
[0062](5)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入去離子水超聲清洗；
[0063](6)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入烘箱烘干。
[0064]本實施例中，步驟⑴抽真空包括以下步驟:
[0065](11)關閉高閥，打開前級閥，用機械泵抽真空至20Pa ；
[0066](12)擴散泵通冷卻水，并打開擴散泵，擴散泵加熱40min ；
[0067](13)將真空抽氣系統(tǒng)的氣路閥門調至前級/高閥處，并打開高閥，使用擴散泵進一步抽真空，直到PVD鍍膜儀的腔室的真空度6X 10_3Pa為止。
[0068]具體實施例2
[0069]一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，包括以下步驟:
[0070](I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入PVD鍍膜儀的腔室，抽真空至5 X KT3Pa ；
[0071]上述鋁合金的表面絕緣化處理的步驟與具體實施例1相同；
[0072](2)通過針閥向PVD鍍膜儀的腔室中通入氦氣，至PVD鍍膜儀的腔室的真空度在
1.3Pa為止；
[0073](3)對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓100V，對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金進行氦氣轟擊清洗5min ；
[0074](4)對步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓150V，以銀為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至80A，進行PVD鍍膜30min，在步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金表面形成厚度為8 μ m的銀傳感兀膜層；
[0075](5)隨爐冷至90°C，取出步驟(4)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金即可。
[0076]本實施例中，步驟(I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入PVD鍍膜儀的腔室之前，經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金需要預處理，預處理包括以下步驟:
[0077](I)利用肥皂和清水將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金去油；
[0078](2)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入三氯乙烯中超聲清洗；
[0079](3)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入液態(tài)氟利昂中超聲清洗；
[0080](4)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入清水超聲清洗；
[0081](5)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入去離子水超聲清洗；
[0082](6)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入烘箱烘干。
[0083]本實施例中，步驟⑴抽真空包括以下步驟:
[0084](11)關閉高閥，打開前級閥，用機械泵抽真空至20Pa ；
[0085](12)擴散泵通冷卻水,并打開擴散泵,擴散泵加熱50min ;
[0086](13)將真空抽氣系統(tǒng)的氣路閥門調至前級/高閥處，并打開高閥，使用擴散泵進一步抽真空，直到PVD鍍膜儀的腔室的真空度5X 10_3Pa為止。
[0087]具體實施例3
[0088]一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，包括以下步驟:
[0089](I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入PVD鍍膜儀的腔室，抽真空至4 X KT3Pa ；
[0090]上述鋁合金的表面絕緣化處理步驟與具體實施例1相同；
[0091](2)通過針閥向PVD鍍膜儀的腔室中通入氖氣，至PVD鍍膜儀的腔室的真空度在IPa為止；
[0092](3)對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓200V，對經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金進行氖氣轟擊清洗1min ；
[0093](4)對步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金加負偏壓100V，以鎂為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至60A，進行PVD鍍膜50min，在步驟(3)經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金表面形成厚度為2 μ m的鎂傳感兀膜層；
[0094](5)隨爐冷至80°C，取出步驟⑷經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金即可。
[0095]本實施例中，步驟(I)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入PVD鍍膜儀的腔室之前，經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金需要預處理，預處理包括以下步驟:
[0096](I)利用肥皂和清水將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金去油；
[0097](2)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入三氯乙烯中超聲清洗；
[0098](3)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入液態(tài)氟利昂中超聲清洗；
[0099](4)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入清水超聲清洗；
[0100](5)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入去離子水超聲清洗；
[0101](6)將經(jīng)過表面絕緣化處理的鋁合金放入烘箱烘干。
[0102]本實施例中，步驟(I)抽真空包括以下步驟:
[0103](11)關閉高閥，打開前級閥，用機械泵抽真空至20Pa;
[0104](12)擴散泵通冷卻水，并打開擴散泵，擴散泵加熱60min ；
[0105](13)將真空抽氣系統(tǒng)的氣路閥門調至前級/高閥處，并打開高閥，使用擴散泵進一步抽真空，直到PVD鍍膜儀的腔室的真空度4X 10_3Pa為止。
[0106]具體實施例4
[0107]與具體實施例1大致相同，區(qū)別在于:
[0108]1、步驟⑵中的惰性氣體為氪氣；
[0109]2、步驟(4)中的靶材為鋁。
[0110]具體實施例5
[0111]與具體實施例1大致相同，區(qū)別在于:步驟⑷中的靶材為鈦和不銹鋼。
[0112]上面對本發(fā)明的實施方式做了詳細說明。但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在所屬【技術領域】普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權利要求】
1.一種基于PVD的傳感元與金屬基體的一體化集成方法，包括以下步驟: (1)將金屬基底放入PVD鍍膜儀的腔室，抽真空至小于6X10_3Pa ； (2)通過針閥向所述PVD鍍膜儀的腔室中通入惰性氣體，至所述PVD鍍膜儀的腔室的真空度在0.3?1.3Pa為止； (3)對所述金屬基體加負偏壓100?300V，對所述金屬基體進行惰性氣體轟擊清洗5?20min ； (4)對步驟(3)所述金屬基體加負偏壓60?150V，以傳感元材質金屬為靶材，啟動弧電源，起弧并調整弧電流至50?80A，進行PVD鍍膜30?80min，在步驟(3)所述金屬基體表面形成傳感元膜層； (5)隨爐冷至100°C以下，取出步驟⑷所述金屬基體即可。
2.如權利要求1所述的一種基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法,其特征在于，所述金屬基底是經(jīng)過表面絕緣化處理的金屬工件。
3.如權利要求1所述的一種基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法,其特征在于，步驟(I)將金屬基底放入PVD鍍膜儀的腔室之前，所述金屬基底需要預處理，所述預處理包括以下步驟: (1)利用肥皂和清水將所述金屬基底去油； (2)將所述金屬基底放入三氯乙烯中超聲清洗； (3)將所述金屬基底放入液態(tài)氟利昂中超聲清洗； (4)將所述金屬基底放入清水超聲清洗； (5)將所述金屬基底放入去離子水超聲清洗； (6)將所述金屬基底放入烘箱烘干。
4.如權利要求1所述的一種基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法,其特征在于，步驟(I)所述抽真空包括以下步驟: (11)關閉高閥，打開前級閥，用機械泵抽真空至20Pa； (12)擴散泵通冷卻水，并打開擴散泵，所述擴散泵加熱至少40min； (13)將真空抽氣系統(tǒng)的氣路閥門調至前級/高閥處，并打開所述高閥，使用所述擴散泵進一步抽真空，直到PVD鍍膜儀的腔室的真空度小于6X 10_3Pa為止。
5.如權利要求1所述的一種基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法,其特征在于，步驟(4)所述靶材為黃銅、鋁、銀、鈦、不銹鋼、鎂中的一種或幾種。
6.如權利要求1所述的一種基于PVD的傳感兀與金屬基體的一體化集成方法,其特征在于，步驟(4)所述的傳感元膜層的厚度為2?8μπι。
【文檔編號】C23C14/02GK104233185SQ201410413314
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權日:2014年8月21日
【發(fā)明者】崔榮洪, 何宇廷, 伍黎明, 杜金強, 侯波 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學