秦朝菲,張巍巍,史久林,何興道

(南昌航空大學,江西省光電檢測技術工程實驗室,南昌 330063)

應力應變的測量是預測疲勞損傷、衡量結構健康安全的基礎手段。最常用的應力應變傳感器是應變片,它的電阻值隨應力/應變變化。但在很多應用中測試環(huán)境十分惡劣,例如燃氣輪機葉片的動應力監(jiān)測,電磁干擾、氣流擾動、高溫等,影響應變片的正常功能。為解決極端環(huán)境中的應力測試問題,人們開始尋求光學的解決方案。當前研究報道較多的光學原理的應力應變檢測方法有光纖光柵[1-2]、光彈性法[3]和力致發(fā)光[4-6]等。光纖光柵系統(tǒng)成本較高,且仍然需要填埋安裝;光彈法需將透明的被測對象置于偏振光環(huán)境中,測試系統(tǒng)相對繁瑣、適用范圍存在較大的局限性;力致發(fā)光雖然測試系統(tǒng)簡單,但是光強信號容易受到環(huán)境光等干擾、精度較低,且只用于動態(tài)測試。工業(yè)、工程領域仍對新型的光測應力技術有明確且迫切的需求。

熒光壓譜技術(fluorescence piezospectroscopic technique)是可能替代應變片的一種新型光測應力技術[7]。它具備一般光測技術的典型優(yōu)點,如免疫電磁干擾、可實現(xiàn)非接觸測量、本征安全,也沒有光纖光柵、光彈技術、力致發(fā)光等方法上述的局限性。但是常規(guī)的熒光壓譜技術分辨力很低,極限情形下也只能檢測亞GPa級以上的應力[7-8]。近期我們通過定義一個新的熒光光譜特征參數(shù)“譜帶重心”,以它的移動反映熒光材料的受力情況,將壓譜分析的分辨力提高了約三個數(shù)量級[9]。從而,制約熒光壓譜技術廣泛應用的最短板得以補齊。該技術的發(fā)展目前需要重點解決的問題轉移到了敏感材料的制備與應用,更具體地說,是篩選出特定熒光材料并全面分析其應力傳感性能。

本文選用Eu2+發(fā)光作應力應變傳感應用研究,在前期工作[9]基礎上進一步擴大敏感材料的范圍。Eu2+發(fā)光屬于5d-4f電偶極允許躍遷,發(fā)光強度大,亦即熒光作傳感應用時信號強度大;Eu2+的5d電子是最外層電子,易受環(huán)境影響,亦即有利于獲得高的傳感靈敏度。已知其他材料體系中,Eu2+的熒光譜峰在高壓下移動明顯[10]。本文使用的紅色熒光粉SrSiAlN3:Eu2+常見于LED調(diào)色應用,具有發(fā)光效率高、化學性能穩(wěn)定、波長范圍寬等優(yōu)點[11-12]。應力對它的光譜特性的影響尚未見相關報道。

實驗中搭建熒光壓應力測試系統(tǒng),將SrSiAlN3:Eu2+粉末和不同膠黏劑混合制成組份不同、外形尺寸不同的復合材料,測量各復合材料樣品的熒光發(fā)射譜,分析各熒光特征隨應力的變化,最終總結出熒光應力傳感方程。

1 實驗條件及方法

1.1 實驗材料

實驗樣品是雙組份的復合材料,一個組份為 SrSiAlN3:Eu2+粉末(科恒R6535-10H);另一個組份為膠黏劑。其中一系列樣品使用的膠黏劑為無色透明的加成型3042#模具硅膠,粘結性優(yōu)良、化學性質(zhì)穩(wěn)定、本身不發(fā)光;另一系列樣品使用高性能應變片粘貼專用膠H610(中航電測應變膠),力學性能穩(wěn)定。

硅膠系列樣品的SrSiAlN3:Eu2+/硅膠的質(zhì)量比例為1∶10。將兩者充分攪拌混合均勻,然后于真空脫泡機中脫泡處理1 h,取出轉移注入到多個2 mm×5 mm×5 mm的方形和2×Ф5 mm3的圓形模具中(模具內(nèi)壁均涂有脫模劑),再放置到60 ℃真空恒溫箱內(nèi)保溫12 h使復合材料完全固化,最后取出樣品作退火處理(將固化的復合材料放置在熱板上,從室溫開始以2 ℃/min的速率升溫至80 ℃,保溫2 h后,隨熱板冷卻至室溫)。應變膠系列樣品的制備流程相同,但為了控制混合前驅物的粘度以便于操作,SrSiAlN3:Eu2+/H610質(zhì)量配比為1∶5。在顯微鏡下挑選出均質(zhì)、完整的樣品用于后續(xù)測試,將挑出的SrSiAlN3:Eu2+/硅膠圓片樣品標記為A組、方片狀SrSiAlN3:Eu2+/硅膠樣品為B組、SrSiAlN3:Eu2+/H610樣品為C組。

1.2 壓應力傳感系統(tǒng)

搭建一套專門的壓應力加載熒光光譜測量系統(tǒng)用于壓應力傳感,系統(tǒng)構造如圖1所示。采用中心波長為405 nm的半導體激光器作激發(fā)光源;分辨率為0.5 nm、光譜范圍為240 nm～800 nm的光纖光譜儀(型號AvaSpec-2048TEC-USB2)作探測裝置;Y型分束光纖的一支光纖臂與激光器耦合,向樣品傳輸激發(fā)光,另一支光纖臂連接光譜儀,傳輸樣品的熒光,合束端對準被測樣品,同時傳輸激發(fā)光與熒光。為保證實驗過程中始終原位測量熒光光譜,將片狀樣品沿其厚度方向夾持在推力計和玻璃片之間。在室溫下,以不同的推力在樣品上加載壓應力。推力計的讀數(shù)范圍為0～50 N,分辨率為0.5 N。記錄樣品隨應力變化的系列熒光光譜。

圖1 熒光壓應力傳感實驗系統(tǒng)示意圖

1.3 熒光譜帶位置的表征

一般用峰值位置對應的波長(或波數(shù)、頻率)來描述譜峰的位置。但對于寬帶的譜型,在其最大值(峰值)附近比較平坦,疊加了噪聲后基于極值法的尋峰精度下降?；谌V擬合的手段有時可以提高尋峰精度,但由于譜的疊加、傳遞元件及探測元件的響應等多種復雜因素的影響,寬譜帶往往并不能精確、嚴格地用一個或多個高斯型或洛倫茲型的譜峰擬合。

“譜帶重心”波長是一個描述譜帶位置的唯象參數(shù),其定義為將譜帶面積均分為兩個分段積分面積的波長[9]。兩個分段的波長范圍分別是譜帶左側基線上某點～譜帶重心波長以及譜帶重心波長～譜帶右側基線上某點。因為原則上基線上取的數(shù)據(jù)點對積分面積沒有貢獻,所以在基線上可以隨意取點。具體的譜帶重心波長的計算過程是:預設其值計算上述的一個分段積分面積,如果所取分段積分面積接近譜帶積分面積的一半,則得到一個(預設波長,分段積分面積)數(shù)對;得到至少兩個數(shù)對,由譜帶半面積通過線性插值運算得到譜帶重心波長。

當使用譜帶重心這個參數(shù)代替譜峰位置表征光譜譜帶,能有效地改善測試系統(tǒng)的分辨力、提高系統(tǒng)精度,這點已經(jīng)在熒光溫度傳感[13-14]、熒光pH傳感[15]、熒光應力傳感[9,15]等應用中得到了較充分的證明。

2 結果與分析

2.1 熒光復合材料的力敏特性

圖2展示了樣品A1在不同應力加載下的原始發(fā)射光譜。粗略的觀察幾乎無法看出各光譜之間有什么不同,它們幾乎完全重合:考慮到光強(對應于光譜的積分面積)很容易受到光源功率變化、光路穩(wěn)定性的影響而漲落,可以認為它們的光強不隨應力大小而改變;在實驗測試條件下,樣品的發(fā)射譜的峰值波長也未見隨應力變化有任何規(guī)律性的移動(圖2插圖);如果用半高全寬來描述熒光光譜的譜帶寬度,在實驗讀數(shù)誤差范圍內(nèi),也可以認為譜帶寬度不受應力的影響。A組各樣品的力敏熒光表現(xiàn)一致,類似地分析熒光強度、峰值波長、譜帶寬度這些熒光參數(shù),B組、C組各單個樣品的系列發(fā)射光譜也均未反映出應力敏感性。

插圖為光譜圖的局部放大圖2 樣品A1在不同應力加載下的發(fā)射光譜圖

但是細致的分析仍能看到樣品熒光光譜隨漸變的應力發(fā)生的規(guī)律性變化。將圖2中的各個光譜在最大峰值強度處作歸一化處理,得到圖3。從圖3的局部放大圖(圖3插圖)可看到,熒光光譜譜帶左側帶邊隨應力的增大而向短波方向移動。在此同時,觀察到各光譜的譜峰及光譜譜帶右側帶邊仍是重疊的。因此,所觀察到的左側帶邊的移動可以視為熒光光譜譜帶的展寬或整體藍移?？紤]到譜帶半高全寬的測量精度、譜峰峰值波長的定位精度都受限于光譜儀分辨率及信噪比,這么微小的變化在大多數(shù)實驗分析中一般都被直接忽視。然而相比之下,譜帶重心能更加精確地表征熒光譜帶在光譜圖上的位置,如圖4所示。這恰如前所述,因為重心波長的值是由譜帶面積積分后加權平均得到,積分、插值運算的數(shù)學處理起到平均法降噪的作用,從而大大提高了信噪比。

插圖為歸一化光譜圖的局部放大圖3 樣品A1在不同應力加載下的歸一化發(fā)射光譜

圖4 壓應力對A組A1樣品的譜帶重心及峰值波長位置的影響

2.2 熒光應力傳感系統(tǒng)的性能

圖4展示了A組A1樣品的熒光譜帶重心波長隨應力變化而移動的規(guī)律。多次復測(圖示了5次復測結果)的光譜數(shù)據(jù)都能夠復現(xiàn)這種規(guī)律。因此,該譜帶重心隨應力增大而藍移的規(guī)律可以用于應力傳感。作為對比,離散的、沒有明確規(guī)律的不同應力作用下的熒光峰值數(shù)據(jù)點也繪制在圖中。

以上對樣品A1的重心波長～應力關系作多次重復標定時,每次標定均沿正行程進行,兩次標定之間間隔至少12 h,以盡量避免樣品蠕變的影響。統(tǒng)計所得數(shù)據(jù),作線性擬合,得到由樣品A1及實驗設備組成的熒光應力傳感系統(tǒng)的傳感函數(shù)為λ=595.26-0.20σ,即它的壓應力傳感靈敏度為0.20 nm/MPa。分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)同時得到:系統(tǒng)靈敏度的相對不確定度為2.4%;以施力2.5 N時的傳感信號為參考,相對靈敏度為0.034%;擬合優(yōu)度(R2)為0.983;將線性擬合式零次項的不確定度作為系統(tǒng)的最小可分辨的信號值,結合靈敏度值得到該傳感系統(tǒng)的分辨力為0.055 MPa。該分辨力較之任何已知的其他熒光壓譜系統(tǒng)有約三個數(shù)量級的提高。系統(tǒng)的重復性指標則在下文中結合更多實驗來加以確定。

利用Eu2+的5d-4f躍遷發(fā)光譜帶重心波長的移動實現(xiàn)應力傳感,其物理機理與稀土-配體鍵長變化導致光譜譜峰頻移的物理規(guī)律實質(zhì)上并無不同,仍可歸結到電子云膨脹效應(nephelauxetic effect)[16]與晶體場強度的影響,區(qū)別僅在于用唯象參數(shù)“譜帶重心”代替更直觀的譜峰波長表征譜帶的波長位置。

2.3 復合材料形狀對傳感的影響

上述實驗系統(tǒng)如果實際用于任意形狀物體的淺表層應力檢測,需要將敏感材料(熒光復合材料)以均質(zhì)涂層的形式涂覆于物體表面。此時,涂層的形貌取決于物體表面形貌。為考察敏感材料的形貌對其傳感特性的影響,設計了形狀不同的A組圓片狀和B組方片狀樣品。任意的形狀可以看作由這兩種基本形狀拼接而成。A組3個樣品和B組3個樣品的熒光譜帶重心波長隨壓應力移動的規(guī)律如圖5所示。

圖5 壓應力對A組樣品、B組樣品熒光譜帶重心位置的影響

由圖5可得,A組樣品的熒光譜帶重心位移的傳感函數(shù)(擬合方程)為λ=595.23-0.20σ,與單一樣品A1的應力傳感標定結果相當一致。B組樣品的應力傳感函數(shù)為λ=595.22-0.20σ,其靈敏度與A組樣品一致;靈敏度的相對不確定度為2.96%;以施力2.5 N時的傳感信號為參考的相對靈敏度為0.034%;擬合優(yōu)度為0.984?？梢?在實驗誤差范圍內(nèi),樣品A和B的傳感能力相同,即復合樣品的幾何形狀不影響應力傳感特性。最終,SrSiAlN3:Eu2+/硅膠復合材料應力傳感系統(tǒng)的靈敏度確定為0.20 nm/MPa(等效于頻移壓譜系數(shù)5.64 cm-1/MPa),這超過標準熒光壓譜材料紅寶石的壓譜系數(shù)(5.5 cm-1/GPa)[17]逾千倍。

將A組、B組數(shù)據(jù)合并考察,得到實驗系統(tǒng)的重復性指標為小于6%FS。

2.4 復合材料配方對傳感的影響

從改善敏感材料的靈敏度、蠕變特性、耐候性、可靠性角度考慮,有必要優(yōu)化復合敏感材料的配方、配比。本文在核心敏感材料(熒光粉)不變的前提下,初步試驗了配方對復合材料的應力敏感性的影響。

沿用譜帶重心波長作為應力傳感信號,樣品C與樣品A1的應力響應如圖6所示?？梢?首先,壓應力作用下SrSiAlN3:Eu2+熒光譜帶重心的移動趨勢相同,再次證明隨壓應力增大而藍移是熒光粉末多晶材料本身的固有特性,吻合前述的發(fā)光學機制;其次,不同的熒光粉/膠黏劑體系,復合材料的彈性系數(shù)不同,同等應力導致的熒光化合物的應變不同,使得樣品的應力傳感靈敏度有差異。比較圖6給出的樣品C與樣品A1的傳感方程,可以合理地推論,固化后硬度較大的膠黏劑(例如實驗中使用的應變膠H610相較于硅膠)與熒光材料復合有利于提高靈敏度。這為后續(xù)的實驗探索及工程化開發(fā)提供了一個指導性原則。

圖6 壓應力對樣品A1、樣品C熒光譜帶重心位置的影響

3 結論

SrSiAlN3:Eu2+熒光粉與硅膠或H610應變膠復合而成的復合材料具有應力敏感性,體現(xiàn)在它們熒光光譜的譜帶重心波長隨壓應力的增大而藍移,其靈敏度遠大于熒光壓譜技術常用的紅寶石材料的熒光壓譜系數(shù),實驗系統(tǒng)的分辨力遠優(yōu)于常規(guī)的壓譜實驗系統(tǒng)。實驗觀察到的傳感規(guī)律可重復、不受樣品形狀差異的影響。提高復合材料的硬度有利于進一步提高靈敏度。

本實驗僅分析了壓應力對Eu2+的5d-4f發(fā)光光譜的影響,證明了稀土熒光壓譜技術的可行性。在其他受力方式例如剪切、拉伸、彎曲等加載下,該敏感材料或其他熒光材料的表現(xiàn)及特性仍有待進一步研究。

實驗結果提供了一種免疫電磁干擾、無線測量、分辨力高、成本較低廉的應力傳感方案,其在復雜、惡劣環(huán)境中的應力監(jiān)測方面有望部分替代應變片,有良好的應用前景。