基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法技术

本发明专利技术公开了基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，包括步骤如下：制作电极；搭建多通道测试测量硬件系统；设计电阻抗实时成像软件；确立电阻率与氧化程度的关系；由电阻率分布计算结果获得氧化程度分布情况。本发明专利技术的方法可由电阻抗成像技术对陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的实时计算结果结合电阻率随氧化程度的变化关系，同步、准确地间接监测高温部件的氧化情况。

Monitoring Method of Oxidation Degree of Composite High Temperature Components Based on Electrical Impedance Imaging

【技术实现步骤摘要】
基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法
本专利技术涉及氧化状态监测
，具体涉及基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，将电阻抗成像技术与电阻率随氧化程度变化关系相结合，实时监测航空发动机高温部件的氧化情况。
技术介绍
连续纤维增强陶瓷基复合材料具有极好的高温稳定性及较好的力学性能，综合性能优异，是目前作为航空燃气涡轮发动机热端部件最具潜力的高温热结构材料。与此同时，航空发动机高温部件服役环境苛刻，因素复杂。在长期的复杂应力与热化学耦合的服役环境下，陶瓷基复合材料热端构件可能会出现多种形式的损伤。如未及时发现并处理，极有可能导致整个结构件的迅速破坏，造成重大事故。此外，有效的损伤监测能够揭示材料的损伤机理，使得寿命预测结果更为准确，从而推动陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用。对于复合材料高温部件来说，氧化损伤是其主要损伤形式之一。在航空领域，以氧化或燃烧为主的腐蚀损伤是飞机结构损伤的主要形式。目前常用检测复合材料损伤的方法有超声波探测法、红外热成像及声发射检测方法等（见梅辉，张鼎，夏俊超，etal.浅谈陶瓷基复合材料无损检测方法及其进展[J].航空制造技术，2017，60(5)：24-30.）。超声波法穿透能力强、灵敏度高，但是易存在近场检测盲区，检测小缺陷和厚度较小的材料比较困难。红外热成像效率高、结果清晰直观，但是测温误差受环境高温物体影响很大。声发射可以获得缺陷的动态信息，灵敏度高、负载小，但是定位精度不高，损伤产生的信号与噪声较难区分，难以检测到材料内部缺陷。此外，上述方法在操作性、原位检测能力、设备成本及复杂度等方面均有不同程度的局限。针对氧化损伤，一种基于光纤光栅传感器的无损检测方法（见中国专利CN105866041A《基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法》）能够对碳化硅类复合材料中碳化硅物质的氧化状态进行实时在线监测，但是在复合材料中大量地加入光导纤维附加物将不可避免地会降低材料的性能，同时光纤传感器存在性能稳定性及价格方面的问题，使其在应用中受到很大的限制。因此，有必要提供一种能够实时、在线、原位监测高温部件氧化情况的氧化程度监测方法，实现快速有效、经济可靠的氧化状态监测。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，旨在解决高温场合氧化监测难度大、难以实时检测等问题，本专利技术的方法可由电阻抗成像技术对陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的实时计算结果结合电阻率随氧化程度变化关系，同步快速、准确地间接监测高温部件的氧化程度分布。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，采集电极阵列传导的电信号；步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系；步骤5：根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效测量。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，步骤1中，被测陶瓷基复合材料结构件为涡轮导向叶片，电极埋入高温部件内部边缘处，以避免附加干扰；热防护装置采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热。进一步地，步骤4中，开展试验，研究高温空气环境下，在恒温过程中，陶瓷基复合材料试件两端的电阻值与氧化程度之间的关系。进一步地，步骤4中，在夹具的夹持下，长条状的试件穿过高温炉内腔，试件的两端对称地位于高温炉外壳外，高温炉内腔的内壁安装有保温砖；试件的两端与电阻测试仪相连，两端之间的电阻值由电阻测试仪实时测量及存储。进一步地，步骤4中，陶瓷基复合材料试件的氧化程度通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。进一步地，步骤5中，氧化程度分布与电阻率分布情况基于相同的高温薄板被测件二维有限元模型建立，并最终以图像的方式直观显示。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术将电阻抗成像技术应用于高温部件的氧化程度监测，解决了高温恶劣环境下氧化状态难以有效监测的技术难题，提出了一种切实可行、经济可靠的新方法。（2）本专利技术中电阻率随氧化程度变化关系的研究方法简明易懂，更容易让工程人员接受和掌握，同时建立出的电阻率-氧化程度关系较为准确。（3）本专利技术与现有氧化程度监测技术相比，由于依托于实时的电阻抗成像系统以及可靠的电阻率-氧化程度试验关系，因而氧化程度监测结果更加准确并具有实时性。附图说明图1是本专利技术测试方案整体示意图。图2是本专利技术基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测原理示意图。图3是本专利技术电阻随氧化程度变化关系的试验装置示意图。图4基于电阻抗成像技术的陶瓷基复合材料高温部件氧化程度分布监测结果示意图。附图标记如下：涡轮导向叶片1，电极阵列2、硬件系统3、计算机4、夹具5、试件6、高温炉外壳7、保温砖8、高温炉内腔9、电阻测试仪10。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，包括电阻抗成像系统和结合电阻率随氧化程度的变化关系进行陶瓷基复合材料高温部件氧化情况实时监测的分析方法。电阻抗成像系统由两部分组成，第一部分是位于测试端的用于多通道测试测量和电信号传导的硬件，第二部分是位于PC端的用于运算和成像、控制的软件。电阻抗成像系统的硬件部分主要包含多通道开关系统、精密直流电源、高精度数据采集系统及电极装置。电极装置具有一定的耐高温性能，能在高温环境中准确传导电信号。电阻抗成像系统的软件部分包含电阻率分布的计算、成像及对硬件的程序控制等主要功能。陶瓷基复合材料高温部件氧化程度实时监测的分析方法是利用陶瓷基复合材料电阻率随氧化程度的变化关系将电阻抗成像系统计算得到的陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布结果转换为氧化程度分布结果从而实现高温部件氧化程度分布监测的一种方法。陶瓷基复合材料电阻率随氧化程度变化的关系一般由高温试验获得的试件电阻值随氧化程度变化的关系进一步分析得到。高温试验中复合材料试件的氧化程度可以通过在保持最高温度不变的情况下，调整恒温时间的长短进行控制。陶瓷基复合材料高温部件一般为薄板件，如涡轮导向叶片。如图1、图2所示的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，具体包括如下步骤：步骤1：制作电极。围绕被测结构件如涡轮导向叶片1的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列2（即传感器阵列）；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置，例如采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热等手段。步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统3。实现微小恒定电流的稳定传输、多通道切换以及微弱电压数据的精确采集。多通道测试测量硬件系统具有较高的测试稳定度和测量精度，以满足弱电信号的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，采集电极阵列传导的电信号；步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系；步骤5：根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效测量。

【技术特征摘要】
1.基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制作电极，围绕被测陶瓷基复合材料结构件的四周组建一定数量的用于传导电信号的电极阵列；设计用于保证电极在高温环境下能够正常工作的热防护装置；步骤2：搭建多通道测试测量硬件系统，采集电极阵列传导的电信号；步骤3：基于电阻抗成像技术重建算法及步骤2中硬件系统采集到的电压数据，实现陶瓷基复合材料高温部件电阻率分布的计算及成像；步骤4：确立电阻率随氧化程度变化的关系；步骤5：根据步骤4建立的电阻率随氧化程度变化的关系，将步骤3中计算得到的电阻率分布情况转换为氧化程度分布情况，最终实现陶瓷基复合材料高温部件上氧化程度分布的实时有效测量。2.如权利要求1所述的基于电阻抗成像的复合材料高温部件氧化程度监测方法，其特征在于：步骤1中，被测陶瓷基复合材料结构件为涡轮导向叶片（1），电极埋入高温部件内部边缘处；热防护装置采用超高温耐蚀陶瓷涂层均匀涂敷在电极表面，形成保护罩，以及采用石英纤维套管为导线隔热。3.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：高希光，魏婷婷，宋迎东，董洪年，贾蕴发，于国强，张盛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32