壓電阻抗實時監測技術在推進系統中的應用研究

張守誠，譚元球，唐偉員，羅 瀟，邱 江，鄧志芳

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

航空航天推進系統在其貯存或飛行過程中，由于受環境溫度、壓力或高速氣流等隨機因素的影響，自身結構可能會產生損傷和缺陷，導致重大的安全事故。大多推進系統都具有粘接層或者使用黏接劑，例如航空發動機的粘接件和密封件等大量使用黏接劑等；固體火箭發動機的燃燒室主要由殼體、絕熱層、粘接層（在固體火箭結構中專業名詞為襯層）構成。襯層作為固體火箭發動機燃燒室內粘接推進劑和絕熱層（或殼體）的粘彈性材料，承擔保護發動機的重要作用[1]。如果襯層沒有在具有良好粘接性能的“半固化狀態”下進行裝藥，將嚴重破壞粘接層和推進劑界面的粘接強度，從而導致發動機發生爆炸、解體等災難性事故。因此研究能夠有效準確地判定粘接層“半固化狀態”的方法，對推進系統的質量控制具有重要意義。

目前為止，粘接層“半固化狀態”檢測主要采用人手指壓法，依靠工程人員的經驗判斷，不能定量化地判定粘接層的粘接性能，嚴重影響粘接質量的穩定性。為了解決這一問題，國內外學者對提升粘接層粘接性能做了大量的研究[2-4]。使用科學儀器對材料固化反應程度進行監測表征的方法主要有紅外光譜法、差式掃描熱量法（DSC 法）、超聲波方法等，楊士山等[5]采用紅外光譜技術表征粘接層固化過程中微觀結構的變化，初步探討了粘接層固化程度對界面粘接強度影響的機理，但是該方法只適用于特定配方，不能進行實時監測，且測試儀器昂貴。文獻[6]利用DSC 方法測量環氧樹脂等的固化過程，需要對監測材料進行破壞性取樣，無法實現實時監測。

近些年來發展的壓電類智能材料結構技術為在役航空航天推進系統進行在線損傷檢測和實時健康監測提供了廣闊的發展前景。尤其是一種新興的結構健康監測方法即壓電阻抗技術，通過粘貼于被測結構表面的壓電傳感器進行測試，利用壓電傳感器的機電耦合特性反映出被監測結構的狀態，為粘接層“半固化狀態”的實時健康狀態監測與表征提供了新的思路。由于壓電阻抗法是在高頻條件下測量壓電片驅動結構耦合阻抗，對結構性能變化敏感，使得該方法特別適合對粘接層固化狀態進行實時監測。

本文著重從理論上將高頻激勵的壓電阻抗法與粘接層固化的力學性能聯系起來，構建粘彈性粘接層結構的模量與耦合阻抗的關系，對粘接層試件進行壓電阻抗技術實時監測實驗，分析共振頻率處阻抗實部峰值的變化，探究壓電阻抗技術實時監測并完整表征粘接層固化狀態的可行性。

1 粘彈性阻抗模型及監測原理

粘接層的固化過程主要是HTPB（端羥基聚丁二烯）和TDI（甲苯二異氰酸酯）在一定條件下發生交聯反應，生成具有網狀結構的聚氨酯類彈性體。壓電阻抗技術實時監測粘接層固化狀態的基本原理是，粘接層固化過程中，其模量等力學性能發生改變，導致機械阻抗變化，利用壓電傳感器的機電耦合效應，測量粘貼于粘接層表面壓電傳感器的阻抗信號，其中反映了固化過程中模量等導致粘接層機械阻抗變化的信息。通過比較測得的耦合阻抗的區別，可以準確地識別粘接層機械阻抗的變化，表征粘接層固化過程中模量等力學性能的變化，從而對粘接層固化過程實現實時監測研究。壓電阻抗技術是Liang 等[7]在1994 年首先提出的，用于模擬耦合了壓電傳感器和結構的動態行為。Liang 等在構建機電阻抗理論模型時只考慮了軸向變形，而不考慮與壓電傳感器相連的測試結構的材料或形狀。由壓電傳感器（PZT）驅動的一維機電耦合阻抗模型導納表達式如下[7]

式中：Y 為PZT 電導納（阻抗倒數）；ω 為激勵頻率；la、ba和ha分別為PZT 的長度、寬度、厚度；為PZT 應力為零或常數時的復介電常數，其中δ 為介電損耗因數；為PZT 在電場為零或常數時的復楊氏模量，其中η 為PZT 的機械損耗因數；d31為壓電常數；Za為PZT 的機械阻抗；ZS為基體結構的機械阻抗。其中PZT 自身的機械阻抗Za的表達式為

對于一個已確定的壓電阻抗耦合系統來說，從式（1）可以看出，PZT 自身機械阻抗大小僅由自身材料參數所決定，其值為常數，而結構力學性能的變化會造成其機械阻抗的變化，因此壓電阻抗耦合系統的導納Y的變化由待測結構的機械阻抗ZS唯一決定[8]。

本文根據粘接層的粘彈性材料特性，以及PZT 的厚度方向振動模式，將待測的粘接層結構簡化為一維線性粘彈性桿結構，與PZT 相連，如圖1 所示。根據一維粘彈性桿波動原理，連續方程和運動方程分別為

圖1 一維粘彈性阻抗模型

線性粘彈性桿的粘彈性微分本構方程為

式（3）（4）（5）中：ρ 為粘彈性材料的密度，P 和Q 為與時間相關的微分算子。

由式（3）（4）（5）可得

根據偏微分方程的解形式，位移解可設為

根據文獻[6]中PZT 的位移解，得到待測粘接層結構的邊界條件為

從而速度解為

一維粘彈性桿結構一端與PZT 相連，粘彈性桿上的荷載可以表示為

由結構機械阻抗（速度阻抗）定義可知，結構機械阻抗表達式為

粘接層固化過程中，粘接層的模量隨著固化程度而變化。由式（11）不難看出，在PZT 的主動激勵下，粘彈性結構的機械阻抗與動態模量之間存在數值關系。根據式（1），壓電阻抗系統的耦合阻抗的變化由待測結構的機械阻抗ZS唯一決定。因此，測得的耦合阻抗和粘接層動態模量存在一定的數值關系，實測的阻抗數據中可以實時表征粘接層的動態模量，從而識別和判定粘接層的固化狀態。在此基礎上，壓電阻抗技術可以實現粘接層動態模量的實時量化表征，有效地監測粘接層的粘接性能。

2 粘接層固化過程阻抗監測實驗研究

實驗使用的粘接層料漿基礎配方由某航天單位提供，主要由HTPB 黏合劑、TDI 固化劑及其他添加劑按照一定比例配制而成，選取一定重量的粘接層料漿放入標準的圓形試件（直徑40 mm，深度2 mm）中并均勻攤平，然后將圓形粘接層試件置于恒溫50 ℃的固化爐中進行固化。實驗采用的壓電傳感器為PZT-5A 壓電片（直徑12 mm，厚度0.7 mm，STEMINC Ltd），如圖2（a）所示。PZT 放置于圓形粘接層試件表面幾何中心，利用粘接層自身的粘接性緊緊貼合于圓形粘接層試件表面，如圖2（b）所示，并利用National Instrument（NI）系統開發的粘接層固化壓電阻抗技術監測程序進行實時監測。

圖2 實驗設備和試件

NI 粘接層固化阻抗監測系統包括NI PXIe-1071機箱、PXIe-6124 多功能I/O 模塊、PXIe-2527 多路復用器開關模塊、TB-2627 接線盒和顯示器等，采用LabVIEW 進行阻抗監測系統編程，外接自傳感電路，能夠近似達到精密阻抗分析儀的測量效果。該裝置較為便攜，成本不高。由于阻抗虛部對結構力學性能的變化不敏感，阻抗虛部通常用于壓電傳感器自診斷研究，而阻抗實部用于表征結構力學性質的變化[9]，因此本文只選取阻抗實部數據表征粘接層的固化狀態。

3 實驗結果和討論

粘接層監測試件如圖2（b）所示，一直在固化爐中進行阻抗實時監測的為3 號、4 號、5 號和6 號試件，每一個試件阻抗測試間隔時間約為8 min，總共的監測時間超過8 000 min。但是在粘接層完全固化后，阻抗峰值基本保持不變，因此選取監測過程前3 000 min 的數據進行分析。以3 號試件為例，如圖3 所示，阻抗測試掃頻區間為100~400 kHz。隨機選取監測間隔約為65 min 的19 組測試數據做出阻抗頻譜曲線。從圖3 可以看出，共振頻率約為200 kHz，初始峰值約為2 040 Ω，局部放大圖清楚地顯示隨著固化時間的增加，阻抗實部峰值逐漸下降；當固化程度越來越大時，阻抗峰值的速率減小；粘接層完全固化時，阻抗峰值幾乎保持不變。因此，可以選用阻抗實部峰值作為表征粘接層固化狀態的監測指標。

圖3 3 號試件的阻抗頻譜

選取各試件測得的阻抗實部峰值作為表征粘接層固化狀態的特征量，將固化過程中各個時間段的阻抗實部峰值取出，畫出阻抗實部峰值與固化時間的對應曲線。對3—6 號試件的阻抗峰值數據作歸一化處理并進行對比，如圖4 所示。各試件的阻抗峰值曲線都呈現相同的下降趨勢，且下降率基本保持一致。根據該航天單位以往的實驗數據和經驗，該配方粘接層的“半固化狀態”開始時間約為300 min。從圖4 可以看出，300 min時各個粘接層試件歸一化后的阻抗實部峰值均為0.94左右，各個試件的阻抗實部峰值均下降約6%，表現出了高度的一致性和統一的規律，可將阻抗實部峰值的下降率作為粘接層“半固化狀態”的參考依據。對于該配方粘接層，從配制完成開始固化進行阻抗實時監測，當阻抗實部峰值下降約6%時可以判斷粘接層開始進入“半固化狀態”。壓電阻抗技術根據阻抗峰值下降率定量化地表征粘接層的“半固化狀態”，不再單純地依據工程人員的手工經驗，可以作為判定粘接層“半固化狀態”的重要指標。

圖4 各試件阻抗峰值歸一化后隨時間變化曲線

綜上所述，各個粘接層試件反映出了一致的下降規律，隨著粘接層的固化進程，相應的阻抗實部峰值會逐漸降低，且阻抗實部峰值變化速率逐漸減緩；粘接層完全固化后，相應的阻抗峰值基本保持不變。歸一化處理后，各個試件的下降規律高度一致，在“半固化狀態”時的下降率大致相同，可以將阻抗實部峰值下降率作為定量化表征粘接層“半固化狀態”的重要參考依據。

4 結論

本文提出了一種基于壓電阻抗技術監測粘接層固化狀態的新方法。首先通過構建一維粘彈性機電阻抗耦合模型，推導了粘彈性結構的動態模量與阻抗的數值關系，開展了圓形粘接層試件的固化過程阻抗監測實驗研究，根據推導過程及實驗結果與數據分析可以得到以下一些結論。

1）由建立的一維粘彈性阻抗模型推導出了動態模量和耦合阻抗的數值關系，準確地模擬了粘彈性粘接層材料的耦合阻抗信號，表明了一維粘彈性阻抗模型的有效性。

2）阻抗實部峰值隨著固化程度的加深而逐漸減小，且隨著固化時間的增加，減小的速率越來越小，最后阻抗峰值基本保持不變，粘接層達到完全固化，完整反映了粘接層固化過程。

3）各個粘接層試件開始進入“半固化狀態”時的阻抗實部峰值下降率相同，阻抗實部峰值的下降率可以作為判定粘接層“半固化狀態”的重要參考依據。

4）本文所提出的壓電阻抗技術為非破壞性的原位監測方法。由于耦合阻抗與動態模量的數值關系，以及粘接層材料和推進劑材料的相似性，該方法也適用于推進劑固化過程的監測，并做了相關實驗研究。壓電阻抗技術對于結構力學性能變化的敏感性及規律性，使得其在航空航天領域擁有廣闊的發展前景。