劉馬寶,王巧云,張勇,陳躍良

(1.西安交通大學(xué),西安710049;2.機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049; 3.西安航空學(xué)院,西安710077;4.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041)

鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕傳感器綜述

劉馬寶1,2,王巧云3,張勇4,陳躍良4

(1.西安交通大學(xué),西安710049;2.機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049; 3.西安航空學(xué)院,西安710077;4.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041)

摘.要:基于鋁合金材料發(fā)生腐蝕后,其電特性發(fā)生了很大的變化,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)電特性的變化實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕程度評(píng)估的特性,重點(diǎn)描述了電流式、電阻式、阻抗式等腐蝕傳感器的主要構(gòu)造、功能及其工作原理。這些腐蝕傳感器的研發(fā)和應(yīng)用為早期發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷提供了技術(shù)儲(chǔ)備和有效手段,有利于及時(shí)采取修理或預(yù)防措施,從而減少或避免飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大腐蝕故障。最后提出了飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕傳感器研發(fā)的基本構(gòu)想和總體思路,明確了其技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。關(guān)鍵詞:鋁合金結(jié)構(gòu);傳感器;電化學(xué)腐蝕;腐蝕電流

在飛機(jī)服役期間,鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕的發(fā)生和加劇主要?dú)w因于飛機(jī)防護(hù)體系失效,如保護(hù)漆、陽(yáng)極氧化層、密封劑等的老化和破壞。作為飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料之一的高強(qiáng)度鋁合金,在惡劣環(huán)境下十分容易被腐蝕破壞,因此需要經(jīng)常對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)可能存在的腐蝕進(jìn)行檢測(cè)、修復(fù)和更換受損結(jié)構(gòu),從而有效確保飛機(jī)的可靠性和使用壽命,但同時(shí)也大大增加了維護(hù)成本[1]。對(duì)于軍用飛機(jī)來(lái)說(shuō),飛機(jī)維護(hù)費(fèi)用的一大部分都用于腐蝕監(jiān)測(cè)與維護(hù)。據(jù)報(bào)道,1998年美國(guó)空軍用于飛機(jī)腐蝕維護(hù)的費(fèi)用高達(dá)8億美元[2],美國(guó)海軍用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的檢測(cè)和維護(hù)每年花費(fèi)超過(guò)15億美元[3]。因此提高飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能、延長(zhǎng)飛機(jī)服役年限、削減飛機(jī)腐蝕檢測(cè)和維護(hù)成本受到越來(lái)越多的關(guān)注[4],一些先進(jìn)的腐蝕防護(hù)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用給飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕維護(hù)帶來(lái)了極大的方便,降低了飛機(jī)結(jié)構(gòu)故障率,保證了飛機(jī)使用安全性,節(jié)省了人力財(cái)力。文中主要介紹了目前世界先進(jìn)的腐蝕傳感器技術(shù)的工作原理及其應(yīng)用,闡述了腐蝕傳感器設(shè)計(jì)的基本思路,指明在實(shí)際工作中腐蝕傳感器監(jiān)測(cè)的重點(diǎn),為腐蝕傳感器技術(shù)的研發(fā)提供新思路。

1 飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理及評(píng)價(jià)方式

1.1 飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理

飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,內(nèi)因是飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)局部防護(hù)體系存在缺陷或損傷,鋁合金結(jié)構(gòu)暴露在腐蝕環(huán)境中;外因是環(huán)境中有腐蝕液(即電解液)存在,使得鋁合金結(jié)構(gòu)與腐蝕液接觸。鋁合金作為活潑金屬,往往成為電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的陽(yáng)極,失去電子,形成化合物,原有的鋁合金結(jié)構(gòu)遭到破壞。鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕初期,結(jié)構(gòu)表面逐漸失去金屬光澤,變得粗糙,出現(xiàn)暗斑。隨著腐蝕損傷加劇,結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕。到了腐蝕后期,結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)大面積剝蝕、點(diǎn)蝕穿孔等現(xiàn)象。鋁合金電化學(xué)腐蝕過(guò)程中,在陽(yáng)極和陰極之間會(huì)有腐蝕電流產(chǎn)生,腐蝕電流的大小與反應(yīng)物類(lèi)型及腐蝕環(huán)境的濕度、溫度等密切相關(guān)。一方面,處于特定腐蝕環(huán)境中的鋁合金結(jié)構(gòu)發(fā)生電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生腐蝕電流的大小是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值,該值能夠反應(yīng)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕反應(yīng)的平均快慢程度。另一方面,腐蝕電流的產(chǎn)生意味著陽(yáng)極金屬的流失,所以腐蝕電量的累積是參與反應(yīng)的陽(yáng)極金屬流失質(zhì)量大小的表征。鋁合金腐蝕過(guò)程中,一些特定離子,如氯離子在鋁合金結(jié)構(gòu)表面的聚集,也預(yù)示著該位置存在點(diǎn)蝕隱患[5]?；陲w機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕的典型特點(diǎn),可以開(kāi)發(fā)相關(guān)傳感器,用來(lái)捕捉鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕信息。

1.2 飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕評(píng)價(jià)方式

評(píng)估結(jié)構(gòu)防護(hù)體系及腐蝕損傷,一般有2種典型方式[3]。一是使用傳感器直接對(duì)腐蝕結(jié)果進(jìn)行測(cè)量,如測(cè)量防護(hù)體系的老化、鉻化的耗損,點(diǎn)蝕及大面積腐蝕等。這種評(píng)估方式不關(guān)心結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理,注重對(duì)腐蝕結(jié)果的捕捉。這類(lèi)傳感器不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),采用周期性檢測(cè)即可,一般每周1次,無(wú)需持續(xù)供電,能夠給出腐蝕發(fā)展歷程。二是使用環(huán)境氣候傳感器測(cè)量各種腐蝕環(huán)境參數(shù),通過(guò)建立的腐蝕預(yù)測(cè)模型推算各種腐蝕行為。這種方式注重腐蝕成因,從腐蝕機(jī)理出發(fā),考慮了環(huán)境擾動(dòng)因素。這類(lèi)傳感器必須要持續(xù)供電,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù),并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)所處的環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)修正。由于這種測(cè)量方式理論復(fù)雜,對(duì)測(cè)量條件要求高,數(shù)據(jù)測(cè)量受環(huán)境影響較大,測(cè)得的數(shù)據(jù)一般有特定的使用條件等原因,迄今還沒(méi)有成熟的腐蝕預(yù)測(cè)模型能夠投入實(shí)際應(yīng)用,因此工程實(shí)際多采用第一種方式對(duì)結(jié)構(gòu)防護(hù)體系和腐蝕損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

2 腐蝕傳感器分類(lèi)

根據(jù)腐蝕傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同,目前腐蝕傳感器可分為4種類(lèi)型[6],分別是直接測(cè)量腐蝕影響型傳感器、測(cè)量環(huán)境腐蝕特性型傳感器、測(cè)量腐蝕產(chǎn)物型傳感器和測(cè)量腐蝕局部環(huán)境型傳感器。

2.1 直接測(cè)量腐蝕影響型傳感器

使用電化學(xué)阻抗分析儀[7]或者基于微機(jī)電系統(tǒng)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕的直接測(cè)量,但這種測(cè)量方式只適用于對(duì)局部區(qū)域的腐蝕監(jiān)測(cè)。對(duì)結(jié)構(gòu)大面積腐蝕監(jiān)測(cè)往往需要在被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上布置大量傳感器。另外,有一種腐蝕指示油漆,其漆層的顏色隨結(jié)構(gòu)表面的pH值變化而變化,從而指示腐蝕發(fā)生的信息。這種方法適用于大面積腐蝕檢測(cè),需要定期進(jìn)行人工輔助檢查。

2.2 測(cè)量環(huán)境腐蝕特性型傳感器

這種測(cè)量方式的傳感器主要通過(guò)對(duì)環(huán)境腐蝕的測(cè)量,建立環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷度和基體結(jié)構(gòu)表面腐蝕速率之間的關(guān)系。目前這種傳感器種類(lèi)最多,應(yīng)用最廣。例如腐蝕電流傳感器能夠通過(guò)自身電流的變化,指示腐蝕環(huán)境濕度隨時(shí)間的變化,或者給出腐蝕金屬失重隨時(shí)間的變化等。環(huán)境腐蝕性傳感器需要將結(jié)構(gòu)腐蝕程度通過(guò)標(biāo)定顯示出來(lái),正是如此,這種傳感器在用于噴涂了復(fù)雜漆層防護(hù)體系結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)時(shí),難度較大,需要格外注意。一些傳感器本身就包含了和待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)材料完全相同的樣本金屬,傳感器也可以同樣被噴上防護(hù)漆,進(jìn)行保護(hù)封裝。這種傳感器與結(jié)構(gòu)表面處于相同的腐蝕環(huán)境當(dāng)中,受到相同的腐蝕因子侵蝕,因此能夠很好地反映結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)。

2.3 測(cè)量腐蝕產(chǎn)物型傳感器

化學(xué)傳感器能夠和一些特定的物質(zhì)離子起化學(xué)反應(yīng),這些離子是腐蝕發(fā)生的征兆,其濃度大小反應(yīng)了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行程度。這類(lèi)傳感器常用來(lái)安裝在腐蝕產(chǎn)物大量堆積的區(qū)域,如飛機(jī)腹艙中,因此可用于間接監(jiān)測(cè)一個(gè)較大區(qū)域的腐蝕程度。目前這種傳感器能否在大量腐蝕產(chǎn)物存在的環(huán)境中正常工作而不被損壞,還有待大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。一些腐蝕指示漆層也有類(lèi)似的功效,當(dāng)它與腐蝕產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后,漆層的熒光譜會(huì)發(fā)生變化。

2.4 測(cè)量腐蝕局部環(huán)境型傳感器

飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷進(jìn)程與飛機(jī)的服役環(huán)境和服役歷程有很大關(guān)系,因而有可能建立一個(gè)完整的非侵入型腐蝕模型,包括腐蝕開(kāi)始和腐蝕進(jìn)程。在實(shí)際服役環(huán)境中,飛機(jī)受到各種因素的影響,如污染累積(pollution accretion)、紫外線(xiàn)輻射損傷、不可預(yù)期的大氣狀況等,把這些實(shí)際影響因素全部考慮在預(yù)測(cè)模型中,難度很大。盡管可以通過(guò)環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)傳感器提供某個(gè)構(gòu)件或某組構(gòu)件所處環(huán)境(或微環(huán)境)的溫度、濕度、相關(guān)離子濃度等,以供建立待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件腐蝕預(yù)測(cè)模型所需主要參數(shù),但各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕的綜合作用非常復(fù)雜,模型難以精確建立。因此,該類(lèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型目前還無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。

3 典型腐蝕傳感器

國(guó)外在腐蝕傳感器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究方面相對(duì)較早,主要采用傳感器對(duì)腐蝕結(jié)果進(jìn)行直接測(cè)量的評(píng)估方式,已開(kāi)發(fā)出較為成熟的腐蝕傳感器,并投入了實(shí)際應(yīng)用[8—9],而我國(guó)腐蝕傳感器的開(kāi)發(fā)尚處于起步階段。在此,對(duì)一些典型的腐蝕傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)及分析[10]。

3.1 電容-電阻式腐蝕傳感器

與監(jiān)測(cè)的鋁合金結(jié)構(gòu)完全相同的傳感材料(偽金屬)作為平行極板電容器的一個(gè)極板,暴露于腐蝕環(huán)境當(dāng)中;另一個(gè)極板被妥善的保護(hù)起來(lái),使其免受腐蝕。兩極板間填充電絕緣材料,構(gòu)成一個(gè)電容傳感器。傳感器安裝于待監(jiān)測(cè)基體結(jié)構(gòu)附近,處于與基體結(jié)構(gòu)完全相同的腐蝕環(huán)境當(dāng)中,腐蝕因子會(huì)使得傳感材料極板出現(xiàn)穿孔,導(dǎo)致電容傳感器正對(duì)面積減小,從而引起電容值與腐蝕穿孔面積的線(xiàn)性變化,進(jìn)而推算出腐蝕穿孔面積,間接評(píng)估基體結(jié)構(gòu)腐蝕損傷面積百分比。為了能夠得到結(jié)構(gòu)腐蝕的深度,可以設(shè)計(jì)不同厚度的傳感材料極板,同時(shí)在電容傳感器兩極板正中安裝一定形狀的金屬箔電阻層,電阻層通過(guò)位于其上下兩側(cè)的電解質(zhì)絕緣層與電容傳感器極板隔開(kāi),并且保持電絕緣。位于電容傳感器傳感材料極板一側(cè)的絕緣層開(kāi)有均勻分布的小孔(或小槽),使得該極板腐蝕穿孔后,腐蝕介質(zhì)可以隨孔蔓延到金屬箔上,造成金屬箔的腐蝕,從而導(dǎo)致金屬箔的電阻發(fā)生變化,從而獲知腐蝕進(jìn)行的深度。電容-電阻式腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電容-電阻腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of capacitance-resistance corrosion sensor

3.2 電阻式腐蝕傳感器

電阻式腐蝕傳感器的基本工作原理是利用腐蝕損傷引起傳感器傳感層的電阻變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11—12]。該傳感器的工作原理簡(jiǎn)單,實(shí)際應(yīng)用可靠性高,如圖2所示。

圖2 電阻式腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of resistance corrosion sensor

作為傳感器的工作主體,傳感層材料可以采用與待監(jiān)測(cè)鋁合金結(jié)構(gòu)成份一樣的材料(偽金屬),亦可采用比監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)更活潑的金屬材料。電阻式腐蝕傳感器一般安裝在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面,與待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)采取相同保護(hù)措施。傳感器包括基板和傳感層兩層結(jié)構(gòu)。根據(jù)安裝傳感器時(shí)基板和傳感層表層、底層位置的不同,有2種不同的安裝方式。第1種方式(正裝):傳感器的傳感層位于表層。這種安裝方式可以用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)保護(hù)體系(如漆層)的完整性及其臨界老化程度。傳感器安裝在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面,與結(jié)構(gòu)采用相同的保護(hù)措施。當(dāng)傳感器傳感層表面的保護(hù)體系被破壞以后,傳感層暴露出來(lái),引起腐蝕,導(dǎo)致傳感層電阻發(fā)生變化,從而可獲知保護(hù)體系也發(fā)生了相應(yīng)的破壞。第2種安裝方式(反裝):傳感器的傳感層位于底層。這種安裝方式可以用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面腐蝕是否發(fā)生以及腐蝕進(jìn)行的程度。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面發(fā)生腐蝕,與結(jié)構(gòu)表面接觸的傳感層也相應(yīng)發(fā)生腐蝕,導(dǎo)致傳感層電阻發(fā)生變化,從而獲知結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了腐蝕。這類(lèi)傳感器已經(jīng)在歐洲狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)(Tornado)以及各種陸基設(shè)備上得到應(yīng)用,另外F-35戰(zhàn)斗機(jī)也已經(jīng)采用電阻式腐蝕傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)。

3.3 電流式腐蝕傳感器

電流式腐蝕傳感器,亦稱(chēng)為電化學(xué)雙金屬腐蝕電流傳感器,一般為雙層結(jié)構(gòu),如圖3所示。底層結(jié)構(gòu)是與待監(jiān)測(cè)鋁合金結(jié)構(gòu)表面直接接觸的絕緣基板,起到承載金屬層以及電絕緣的作用?；宀牧蠟殇\黃底漆,或用聚酰亞胺薄膜、硅片等材料。表層結(jié)構(gòu),即金屬層,是兩種活性不同的金屬材料通過(guò)濺射沉積或蒸鍍等附著在基板上。兩種金屬材料在基板上呈現(xiàn)交錯(cuò)穿插排布,類(lèi)似于兩個(gè)梳齒相互交錯(cuò)排列,但彼此之間不接觸。兩種金屬材料活性不同,其一為偽金屬,另一種金屬可以是銅或鉻等,從兩種材料上分別引出兩根引線(xiàn)。也可去除偽金屬材料,把兩根引線(xiàn)中的一根直接連接待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu),而另一根連接陰極金屬層。當(dāng)傳感器處于腐蝕環(huán)境當(dāng)中時(shí)(一般相對(duì)濕度大于50%),不同電化學(xué)特性的兩種金屬之間就構(gòu)成了一個(gè)原電池,其中一種充當(dāng)陽(yáng)極,被氧化,失去電子,被腐蝕。這樣,在該兩種金屬之間產(chǎn)生了腐蝕電流。通過(guò)不同位置傳感器腐蝕電流的差異,獲知結(jié)構(gòu)區(qū)域腐蝕環(huán)境的嚴(yán)酷程度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的監(jiān)測(cè)。

圖3 電流式腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of galvanic corrosion sensor

美國(guó)和印度共同研制開(kāi)發(fā)了電化學(xué)雙金屬腐蝕電流傳感器[13],其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種傳感器采用類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)的分層布局,位于最上層和最下層的是鋁合金裸板,作為陽(yáng)極。該鋁合金裸板與待監(jiān)測(cè)鋁合金結(jié)構(gòu)材料完全相同,而位于中間的是梳齒狀金箔,作為陰極,通過(guò)玻璃布與鋁合金裸板隔開(kāi)。

圖4 雙金屬腐蝕電流傳感器結(jié)構(gòu)[14]Fig.4 Structure of electrochemical bimetallic galvanic corrosion sensor

目前,國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了電流式腐蝕傳感器的研制工作。筆者成功開(kāi)發(fā)了薄膜型電化學(xué)雙金屬腐蝕電流傳感器,如圖5所示[10]。該型傳感器質(zhì)量輕、體積小,安裝快捷方便,易于應(yīng)用于飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)。

圖5 薄膜型電化學(xué)雙金屬腐蝕電流傳感器[10]Fig.5 Film-type electrochemical bimetallic galvanic corrosion sensor[10]

雙金屬腐蝕電流傳感器已在美國(guó)海軍P-3C型飛機(jī)上得到應(yīng)用,在8個(gè)關(guān)鍵部位安裝了雙金屬腐蝕電流傳感器(Sensor 1#—8#),進(jìn)行結(jié)構(gòu)腐蝕和防護(hù)體系監(jiān)測(cè)[14],如圖6所示。

圖6 P-3C型飛機(jī)腐蝕傳感器安裝點(diǎn)[14]Fig.6 The installation sites of the corrosion sensors on the P-3C aircraft(red squares)[14]

3.4 智能阻抗貼片傳感器

智能阻抗貼片傳感器粘貼在基體結(jié)構(gòu)表面,通過(guò)構(gòu)造片狀電極,測(cè)量傳感器電極阻抗變化,來(lái)判斷基體表面防護(hù)體系是否發(fā)生破壞[15]。傳感器為分層結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 智能阻抗貼片傳感器結(jié)構(gòu)[15]Fig.7 Structure of smart appliqué impedance corrosion sensor[15]

位于最下層的是基體結(jié)構(gòu)表面,其上噴涂底漆。傳感器的電極層通過(guò)壓敏粘結(jié)劑粘貼于底漆之上。位于最上層的是基體防護(hù)體系,如耐腐蝕漆層或阻蝕劑等。當(dāng)飛機(jī)停機(jī)檢修時(shí),通過(guò)地面阻抗測(cè)量設(shè)備,獲取并分析傳感器粘貼局部基體與傳感器電極之間的阻抗頻譜,判斷傳感器粘貼部位的結(jié)構(gòu)防護(hù)體系是否發(fā)生了破壞以及基體表面是否發(fā)生了腐蝕。該傳感器由美國(guó)和哥倫比亞共同開(kāi)發(fā)完成,已對(duì)3105鋁合金和1008鋼進(jìn)行鹽霧實(shí)驗(yàn),傳感器成功檢測(cè)材料的腐蝕行為。

4 腐蝕傳感器發(fā)展趨勢(shì)

盡管對(duì)單一環(huán)境下鋁合金腐蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)較為清晰,但是,鋁合金及其結(jié)構(gòu)在飛機(jī)實(shí)際服役環(huán)境下的腐蝕行為是多種因素共同作用的結(jié)果。因此,單純從腐蝕機(jī)理出發(fā)設(shè)計(jì)腐蝕傳感器十分困難,且實(shí)際監(jiān)測(cè)效果欠佳。在實(shí)際使用中,如果腐蝕傳感器能夠探知鋁合金結(jié)構(gòu)某局部區(qū)域防護(hù)體系的破壞及腐蝕損傷,維護(hù)人員可根據(jù)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)腐蝕損傷部位進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù),消除飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕帶來(lái)的安全隱患。在開(kāi)發(fā)腐蝕傳感器時(shí),不應(yīng)過(guò)分關(guān)注腐蝕機(jī)理,更應(yīng)注重對(duì)腐蝕信息的捕捉。因此,在開(kāi)發(fā)腐蝕傳感器的過(guò)程中應(yīng)考慮以下因素。

1)傳感器本身應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、耐久性和可靠性。要求傳感器能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕發(fā)生之處,同時(shí)傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定可靠的性能也尤為重要。

2)注重對(duì)腐蝕苗頭的捕捉。過(guò)分追求從腐蝕機(jī)理入手設(shè)計(jì)腐蝕傳感器可能并不實(shí)用,而注重對(duì)腐蝕苗頭的捕捉有時(shí)會(huì)起到事半功倍的效果。因此,對(duì)腐蝕傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合結(jié)構(gòu)腐蝕特征,針對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位腐蝕特點(diǎn),設(shè)計(jì)有針對(duì)性的腐蝕傳感器。

3)功能綜合化。通過(guò)鋁合金結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕特征參量,如腐蝕電流、腐蝕電阻、腐蝕電抗、腐蝕電壓、典型離子濃度、環(huán)境相對(duì)濕度等,設(shè)計(jì)對(duì)相應(yīng)參量敏感的腐蝕傳感器。將各種類(lèi)型的腐蝕傳感器集成在一個(gè)基片上,構(gòu)建綜合化環(huán)境腐蝕監(jiān)測(cè)模塊,實(shí)現(xiàn)各種傳感器功能互補(bǔ),從而對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的全面監(jiān)測(cè)和評(píng)估,更加有效地指導(dǎo)飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)維護(hù)工作。

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Review on Corrosion Sensors for Aluminium Alloy Structure

LIU Ma-bao1,2,WANG Qiao-yun3,ZHANG Yong4,CHEN Yue-liang4

(1.Xi＇an Jiaotong University,Xi＇an 710049,China; 2.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structure,Xi＇an 710049,China; 3.Xi＇an Aeronautical University,Xi＇an,710077,China; 4.Institute of Naval Aeronautical Engineering at Qingdao,Qingdao 266041,China)

Once aluminum alloys are corroded,their electrical characteristics will be significantly changed.Based on this principle,the corrosion sensors have been developed by detecting the changes in electrical characteristics to evaluate the corrosive degree for aluminum alloy structure.Currently,a series of corrosion sensors have been developed,which can capture the corrosive effect of aluminum alloy structures,including galvanic corrosion sensor,resistance corrosion sensor and impedance corrosion sensor and so on.The development and application of these corrosion sensors provide technical backup and effective means for the early detection of corrosions in the aircraft structure,and help to adopt corrosion resist-ant maintenance or protection measures in a timely manner so as to reduce or avoid severe corrosion failures of the aircraft structure.Finally,the working principles and application situations of the corrosion sensors were summarized,and the future development trend for the corrosion sensor technology was pointed out.

aluminum alloy structures;sensor;electrochemical corrosion;corrosion current

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.005

V252.2;TG174

:A

1672-9242(2014)06-0029-06

2014-08-01;

2014-11-02

Received:2014-08-01;Revised:2014-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51075394,51175404);西安蓮湖區(qū)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(K2013-026)

Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(51075394,51175404);Industry,Education and Research Project of Lianhu District in Xi'an(K2013-026)

劉馬寶(1966—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、材料損傷演化及性能評(píng)估。

Biography:LIU Ma-bao(1966—),Male,Ph.D.,Professor,Research focus:structural health monitoring,damage evaluation and reliability of aircraft structures in complex environments.