基于丝网印刷技术的结构-电子集成裂纹监测传感器

《NDT & E International》：A Structure-Electronics Integrated Crack Monitoring Sensor Based on Screen Printing Technology

　　王冲齐|唐庆春|王宇|张耀宇|邱磊 中国江苏省南京市210016，南京航空航天大学，航空航天结构力学与控制国家重点实验室，结构健康监测与预测研究中心 摘要：在飞机运行过程中，复杂的环境和机械应力容易在关键结构部位引发应力集中，进而可能导致裂纹产生，最终造成严重的结构失效。为了解决在线裂纹监测的难题，人们开发了多种传感器监测技术，如声发射技术、压电导波技术和光纤布拉格光栅技术。然而，这些方法往往需要复杂的传感器制造集成工艺，不仅会显著增加重量，还会限制传感器的轻量化以及与结构的整合。为解决这一问题，本文提出了一种基于丝网印刷技术的结构-电子一体化裂纹监测传感器。该传感器采用多层结构设计，传感器层以并联电路形式配置。当结构裂纹扩展导致传感器受损时，其阻抗会发生变化，从而实现结构裂纹的在线监测。通过丝网印刷技术，该传感器实现了结构一体化制造和高可靠性集成。扫描电子显微镜对微观结构的分析表明，传感层的厚度小于20μm。性能测试显示其具有良好的一致性和稳定性。疲劳裂纹监测实验表明，该传感器能够有效监测裂纹的起始和扩展情况。在没有保护层的情况下，它仍能可靠地监测小至0.5mm的裂纹，具备0.5mm的监测分辨率。本研究为实际工程应用中飞机裂纹监测传感器的制造与集成提供了有价值的参考。引言随着飞机设计性能要求的不断提高，结构可靠性面临着新的挑战，其中合金材料的裂纹问题尤为突出。在长期承受循环载荷和交变应力的作用下，结构的高应力区域可能会出现疲劳裂纹，如果不能及时发现，这些裂纹可能会进一步扩展，从而导致结构更严重的损伤。及时监测和处理这些裂纹对于确保飞机的安全运行以及延长其使用寿命至关重要，而飞机结构健康监测技术则为这一目标提供了有效的解决方案。通过在结构上布置传感器及其他设备，可以实时收集和分析数据，从而实现对飞机结构裂纹的持续监测。这不仅提升了飞机安全性，还为飞机的维护和寿命延长提供了科学依据。目前，用于飞机结构裂纹监测技术的传感器主要包括应变传感器、压电导波传感器、声发射传感器、光纤布拉格光栅传感器以及涡流传感器，如表1所示。然而，在上述传感器中，基于应变的监测难以实现定量裂纹监测，压电导波传感器依赖于耦合条件及环境因素，声发射方法需要复杂的信号处理且设备成本高昂，而涡流技术虽然对金属材料效果较好，但不适用于非导电或复合材料。此外，这些裂纹监测传感器通常需要复杂的制造和二次集成工艺，这不仅会导致传感器整体体积较大，还会增加实现传感器轻量化及结构-电子一体化的难度。为解决上述问题，开发结构-电子一体化裂纹监测传感器具有重要意义。通过将传感器与结构一体化制造，可以在保持结构原有形态和特性的同时实现实时结构裂纹监测。近年来，随着新型功能材料及先进制造工艺的发展，基于激光诱导石墨烯、喷墨打印和直接写墨技术的结构-电子一体化传感器得到了广泛研究。其中，激光诱导石墨烯传感器是通过激光照射含碳前驱体材料，原位生成三维多孔石墨烯，从而实现结构应变监测并进一步检测结构裂纹。不过，这种技术在金属结构传感器上的集成存在一定局限。此外，喷墨打印和直接写墨技术也可以直接在结构表面集成传感器。Nouchokgwe等人[26]利用喷墨打印技术在压力容器的曲面直接制造了传感器，实现了对储罐应变的监测。Xie等人[27]同样使用喷墨打印技术在聚酰亚胺材料上直接制造传感器，并通过不同裂纹状态对传感器振动频率的影响来监测结构裂纹。此外，Kurnyta[28]和Zhao等人[29]分别利用直接写墨技术在结构表面直接集成传感器，成功实现了结构裂纹的监测，监测精度可达1mm。尽管上述方法可以实现传感器的结构-电子一体化制造，但它们的制造效率较低，难以满足大面积传感器制造的需求，而且对油墨的类型和粘度也有较高要求。与上述方法相比，丝网印刷技术具有成本更低、制造效率更高、可实现大面积制造以及油墨兼容性更强等优点。该技术通过带图案的筛网将油墨转移到结构表面，从而实现传感器的结构-电子一体化制造。Nauman等人[33]成功利用丝网印刷技术，基于纳米功能油墨在复合层压板上直接制造了应变传感器，其灵敏度高于传统的金属应变计。Herbert等人[34]则使用炭黑和银色油墨，通过丝网印刷技术在钢板上制造了应变传感器，该方法也可应用于柔性基底。Zymelka等人[35]、[36]在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯基底上制造了各种传感器阵列。这些传感器阵列与柔性基底一起被粘接并集成到结构上，不仅可以测量动态应变，还能监测结构裂纹的扩展情况。针对飞机结构裂纹监测的需求，本文提出了一种基于丝网印刷技术的结构-电子一体化裂纹监测传感器。本文的主要贡献如下：1）首先，针对飞机铝合金结构裂纹监测，提出了包含绝缘层、传感层和保护层的多层整体架构设计，提升了传感器的应用可靠性。2）针对结构单边裂纹和孔边裂纹，设计了两种不同的传感层并联电路结构，并建立了裂纹扩展与传感器阻抗输出之间的关系模型。3）提出了基于丝网印刷技术的裂纹监测传感器制造方法。4）通过扫描电子显微镜对传感层的微观结构进行了分析，其厚度小于20μm。同时验证了丝网印刷技术在制造传感层方面的有效性，并对传感器的一致性和稳定性进行了测试。5）最后进行了疲劳裂纹监测实验，结果表明该传感器能够有效监测单边裂纹和孔边裂纹，且在没有保护层的情况下具备0.5mm的监测分辨率。此外，还研究了树脂保护层对传感器性能的影响。本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了裂纹监测传感器的工作原理和设计细节。第3节描述了传感器的制造和集成过程。第4节对传感层的微观结构进行了分析，并对传感器的一致性和稳定性进行了测试。第5节验证了传感器的结构裂纹监测功能。最后，第6节给出了结论。章节概述结构-电子一体化裂纹监测传感器的设计本节首先提出了传感器的多层整体架构设计，针对结构单边裂纹和孔边裂纹分别设计了两种特定的传感层。在此基础上，建立了裂纹扩展与传感器电阻输出之间的关系模型。传感器的结构-电子一体化制造为了实现传感器的结构-电子一体化制造，首先根据传感层的设计原则对印刷油墨材料进行处理。接着制备绝缘层，同时对铝合金基底进行表面处理和清洗。最后，基于丝网印刷技术实现了结构单边裂纹和孔边裂纹监测传感器。传感器的特性分析为评估丝网印刷传感器制造技术，本节首先使用扫描电子显微镜对传感层的印刷质量进行了分析。随后验证了丝网印刷工艺的有效性，并对传感器的制造一致性及长期稳定性进行了测试。裂纹监测传感器的功能验证为了验证传感器的裂纹监测功能与性能，分别对结构单边裂纹和孔边裂纹监测传感器进行了疲劳裂纹监测实验，同时还研究了保护层对传感器监测性能的影响。结论本文提出了一种基于丝网印刷技术的结构-电子一体化裂纹监测传感器，并对其设计和制造方法进行了研究。该传感器已经通过了测试和疲劳裂纹监测验证。首先，提出了传感器的多层整体架构以及基于电阻变化的裂纹监测方法，同时针对单边裂纹和孔边裂纹设计了专门的传感层。此外，CRediT作者贡献声明张耀宇：写作——初稿撰写、验证。王宇：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证。唐庆春：写作——审阅与编辑、初稿撰写、数据整理。王冲齐：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证、方法论。邱磊：写作——审阅与编辑、可视化、监督、方法论利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢本项目得到了国家自然科学基金（项目编号U2570234）、青年科研创新人才支持计划（项目编号ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-D6）、国家自然科学基金（项目编号U25A20295）、江苏省前沿技术研发计划（项目编号BF2024068）、教育部基础学科拔尖计划2.0（项目编号JYB2025XDXM207）以及相关基金的资助。