鄭升輝， 劉亞楠， 李月嬋， 付曉燕*， 張洪武

(1． 廈門理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福建省功能材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361024；2. 中國科學(xué)院 城市環(huán)境研究所， 福建 廈門 361021)

1 引 言

隨著國內(nèi)外機(jī)械故障診斷技術(shù)的迅速發(fā)展，先進(jìn)的現(xiàn)代診斷技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。無損檢測(cè)已經(jīng)不再局限于X射線，包括聲、電、磁、光等各種物理現(xiàn)象幾乎都被用于無損檢測(cè)，如利用振動(dòng)法檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、射線照相檢測(cè)、激光全息檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、微波測(cè)試法、脆性涂層法、滲透探傷法、光纖內(nèi)窺技術(shù)、油液分析技術(shù)等[1-3]。但這些診斷技術(shù)仍然存在一些缺點(diǎn)，大部分方法只能提供離線的監(jiān)測(cè)，并需要專業(yè)的檢驗(yàn)人員，不能對(duì)機(jī)械運(yùn)行中的突發(fā)事故給以預(yù)警，這就需要一種實(shí)時(shí)的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠針對(duì)特定的缺陷做出及時(shí)響應(yīng)，達(dá)到預(yù)警的目的。目前機(jī)械部件的拼接過程仍涉及到焊接工藝，如激光焊、電弧焊、氣焊等。這些機(jī)器在運(yùn)行的過程中難免會(huì)經(jīng)受沖擊和振動(dòng)。長時(shí)間的運(yùn)行和沖擊振動(dòng)會(huì)使機(jī)器的整體性能降低，并且在焊接的部位容易產(chǎn)生各種缺陷，比如磨損、裂縫等故障，甚至出現(xiàn)零件斷裂，這些都有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[4]。所以焊接部位的可靠性也是影響機(jī)械安全的一個(gè)重要因素，對(duì)于不可避免而產(chǎn)生的疲勞缺陷，只能靠定期和日常檢修來保障安全。但在檢測(cè)的過程中拆卸零件步驟比較繁瑣，鑒于這種需求，可以采用無損檢測(cè)的方法。針對(duì)以上分析結(jié)果，我們可結(jié)合應(yīng)力發(fā)光材料對(duì)缺陷部位進(jìn)行可視化，可直觀、實(shí)時(shí)表征部件表面應(yīng)力分布情況[5-9]。大量研究表明，應(yīng)力發(fā)光材料可對(duì)外力實(shí)現(xiàn)力-光轉(zhuǎn)換，達(dá)到檢測(cè)的目的[10-14]。但作為一種新提出的檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)力發(fā)光材料的應(yīng)用研究還有許多技術(shù)問題有待解決，如應(yīng)力發(fā)光靈敏度低、發(fā)光材料與基體結(jié)合差等[15]。為解決以上問題，我們通過合成高亮度應(yīng)力發(fā)光粉體并與樹脂結(jié)合制備應(yīng)力發(fā)光薄膜，提高材料的穩(wěn)定性和與基體結(jié)合的能力。

本研究在基于應(yīng)力發(fā)光材料合成、應(yīng)力發(fā)光薄膜制備、不同應(yīng)力發(fā)光薄膜發(fā)光強(qiáng)度的影響因素的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步確定應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板缺陷的響應(yīng)情況，我們采用CCD相機(jī)對(duì)鋼板上的薄膜進(jìn)行拍照處理，通過采用相關(guān)軟件對(duì)采集圖片進(jìn)行處理等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究鋼板上的缺陷與應(yīng)力發(fā)光薄膜發(fā)光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為應(yīng)力發(fā)光薄膜的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品的制備

2.1.1 應(yīng)力發(fā)光粉體Sr0.975Al1.97O4∶Eu0.025，Ho0.075(SAOEH) 的制備

樣品的制備采用典型的高溫固相法，按化學(xué)劑量比稱取SrCO3(AR)、Al2O3(AR)、Eu2O3(99.99%)、Ho2O3(99.99%)，置入瑪瑙研缽中，加入適量乙醇使其充分混合，充分研磨至粉末態(tài)。將研磨好的粉末盛放在坩堝中，放入高溫爐中，空氣中800 ℃預(yù)燒2 h，冷卻至室溫后繼續(xù)研磨1 h。之后將樣品放入高溫氣氛管式爐中，在弱還原氣氛(5%H2-95%Ar)中1 300 ℃煅燒4 h，自然冷卻至室溫取出，研細(xì)即為所需發(fā)光材料SAOEH。

2.1.2 SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜的制備

將上述制得的粉末樣品SAOEH和透明樹脂按質(zhì)量比為1∶1比例混合均勻后，加入少量的固化劑稍加攪拌；然后放入真空干燥箱中抽真空，保持至 0.02 MPa，5 min后取出，減少發(fā)光薄膜中的氣泡；將抽完真空的混合樣品倒進(jìn)之前準(zhǔn)備好的不同厚度的模具里，表面弄平滑之后靜置24 h，最后將薄膜從模具里取出，就得到我們需要的不同厚度的應(yīng)力發(fā)光薄膜。

2.2 表征方法

采用Panalytical X’pert PRO X射線粉末衍射儀測(cè)定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，參數(shù)為CuKα(λ=0.1540 56 nm)，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，掃描步長為0.026°；薄膜的激發(fā)和發(fā)射光譜采用愛丁堡瞬態(tài)熒光光譜儀FLS920測(cè)定。薄膜的形貌和結(jié)構(gòu)采用ZEISS IGMA掃描電鏡進(jìn)行觀察。為了測(cè)量鋼板表面應(yīng)力發(fā)光薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度，我們采用實(shí)驗(yàn)室自組裝的系統(tǒng)。采用島津力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的卡鉗裝置固定鋼板，在升降臺(tái)處放置光子感應(yīng)器或CCD相機(jī)，對(duì)鋼板樣品施加壓縮、拉伸等不同形式的應(yīng)力行為。在施加應(yīng)力的同時(shí)，對(duì)樣品發(fā)出的應(yīng)力發(fā)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，獲得應(yīng)力發(fā)光樣品的各種光學(xué)特性。具體實(shí)施步驟為：將制備好的發(fā)光薄膜粘附于鋼板上，經(jīng)365 nm紫外燈照射30 s，然后固定在力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，間隔2 min后進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)。采用HAMAMATSU C9692光子檢測(cè)儀(光子檢測(cè)儀以50 ms測(cè)定一個(gè)點(diǎn))檢測(cè)指定區(qū)域應(yīng)力發(fā)光薄膜的發(fā)光強(qiáng)度，收集單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力發(fā)光薄膜指定區(qū)域的光子數(shù)?？梢暬瘻y(cè)試采用安道爾Ixon Ultra 888 CCD 相機(jī)對(duì)負(fù)載過程中的鋼板進(jìn)行圖像采集，曝光時(shí)間為0.01～10 s，相機(jī)制冷溫度為-65 ℃，測(cè)試在不同條件下，鋼板表面應(yīng)力發(fā)光薄膜應(yīng)力發(fā)光情況，在測(cè)試前樣品在365 nm紫外燈下照射30 s，間隔2 min后進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。之后采用Andor Solid和orgin8.5軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，得到應(yīng)力發(fā)光薄膜發(fā)光強(qiáng)度云圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的XRD分析

圖1為合成樣品SAOEH的X射線衍射(XRD)圖譜。發(fā)現(xiàn)各個(gè)衍射峰數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF#01-034-0379)數(shù)據(jù)基本一致，合成的樣品主要晶相是單斜晶系P21結(jié)構(gòu)[16]，SAOEH樣品中僅存在少量的Al2O3(*標(biāo)注)，說明所得的樣品較純；樣品的主要衍射峰未出現(xiàn)偏移改變等現(xiàn)象，說明加入少量的Ho3+和Eu2+離子并未改變樣品的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 SAOEH的XRD圖

3.2 SAOEH/樹脂復(fù)合應(yīng)力發(fā)光薄膜的光致發(fā)光光譜

圖2(a)所示為SAOEH薄膜的發(fā)射和激發(fā)光譜。在365 nm波長的激發(fā)下，SAOEH的發(fā)射光譜為寬峰發(fā)射，且峰值位于波段450～650 nm之間。發(fā)射峰最大值在521 nm處，說明發(fā)光中心為Eu2+ [17]。同樣，以521 nm作為監(jiān)測(cè)波長，得到該樣品的激發(fā)光譜。在512 nm的監(jiān)測(cè)下，SAOEH的激發(fā)光譜呈現(xiàn)出一個(gè)寬峰的狀態(tài)，且峰值位于波長275～450 nm之間的激發(fā)帶，是典型的Eu2+電子4f65d至4f7產(chǎn)生的躍遷發(fā)光。當(dāng)Eu2+受激發(fā)后，基態(tài)電子4f7受激躍遷到5d能級(jí)(激發(fā)態(tài))變成4f65d，之后激發(fā)態(tài)重新輻射躍遷回到基態(tài)4f7從而產(chǎn)生綠色發(fā)光[18]。從樣品的發(fā)射與激發(fā)光譜中未觀察到Ho3+的發(fā)射與激發(fā)峰，說明Ho3+并未作為發(fā)光中心。圖2(b)～(c)所示為不同厚度(0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，2 mm)應(yīng)力發(fā)光薄膜的發(fā)射光譜和發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比，可以看出，薄膜的發(fā)光強(qiáng)度隨著其厚度的增加而增大，具有良好的線性關(guān)系，經(jīng)365 nm紫外燈激發(fā)后，可明顯地觀察到綠色余輝發(fā)光。

圖2 (a)SAOEH發(fā)光薄膜的發(fā)射和激發(fā)光譜；(b)不同厚度SAOEH發(fā)光薄膜的發(fā)射光譜；(c)不同厚度SAOEH發(fā)光薄膜的發(fā)射強(qiáng)度，插圖為薄膜的發(fā)光照片。

Fig.2 (a) Emission and excitation spectra of SAOEH luminescent film. (b) Dependence of the emission spectra different thickness films. (c) Luminescence intensity of luminescent films with different thickness, the insert depicts the luminescence of films.

3.3 SAOEH/樹脂復(fù)合應(yīng)力發(fā)光薄膜的微觀形態(tài)觀察

圖3所示為SAOEH/樹脂復(fù)合應(yīng)力發(fā)光薄膜在不同倍數(shù)下的SEM圖片，可以看到在微觀條件下，SAOEH發(fā)光粉體均勻地鑲嵌在樹脂中，形成融合良好的發(fā)光薄膜。但是，由于是采用高溫法合成SAOEH應(yīng)力發(fā)光粉體，所以薄膜上仍然有一部分大顆粒粉體存在。同時(shí)，在SEM圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的氣泡微孔，這是由于薄膜在制備前經(jīng)過抽真空處理，大量減少了薄膜內(nèi)部的氣泡，提高了薄膜的抗疲勞性能。當(dāng)外部機(jī)械力(如拉伸、壓縮、剪切)作用于應(yīng)力發(fā)光薄膜時(shí)，在外力的作用下，樹脂發(fā)生彈性形變，部分能量傳遞給薄膜內(nèi)部的SAOEH粉體顆粒，產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)光。

圖3 SAOEH/樹脂發(fā)光薄膜的SEM圖片

3.4 不同厚度SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜在焊板上的應(yīng)力發(fā)光曲線

圖4所示為采用SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜實(shí)現(xiàn)力-光信號(hào)轉(zhuǎn)換來檢測(cè)焊接鋼板應(yīng)力響應(yīng)。我們將不同厚度的應(yīng)力發(fā)光薄膜裁為同等長寬(1.5 cm×3 cm)均勻貼到厚度為0.8 mm的304鋼板上，如圖4(a)所示。采用C9692光子檢測(cè)器分別檢測(cè)鋼板上薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度值，光子檢測(cè)器計(jì)數(shù)間隔為50 ms一個(gè)點(diǎn)，采用365 nm紫外燈激發(fā)30 s，間隔2 min，加載拉力為1 500 N，拉伸速度為10 mm/min，測(cè)得應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度值。應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖4(b)所示，隨著薄膜厚度的增加，薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)厚度為0.9 mm時(shí)應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度隨厚度減弱，原因可能是當(dāng)薄膜厚度較薄時(shí)，薄膜內(nèi)部應(yīng)力發(fā)光粉體較少，造成應(yīng)力發(fā)光響應(yīng)值較低；當(dāng)薄膜厚度超過0.9 mm時(shí)，由于薄膜過厚，鋼板受力所產(chǎn)生的形變不易傳遞到更厚的薄膜層，并且薄膜余輝可能影響接觸面應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度，使薄膜應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度降低。因此，在后續(xù)的焊縫檢測(cè)試驗(yàn)中我們選擇0.9 mm厚的薄膜作為研究對(duì)象。

圖4 (a)鋼板上的不同厚度的SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜；(b)鋼板上不同厚度SAOEH應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度。

Fig.4 (a) Different thickness SAOEH films on steel plates. (b) Mechanoluminescence intensity of SAOEH with different thickness on steel plates.

3.5 應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板缺陷響應(yīng)

在前面薄膜厚度的研究基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步研究應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板焊縫的響應(yīng)情況，如圖5所示，在激光焊接的304鋼板背面制備厚度為0.9 mm的應(yīng)力發(fā)光薄膜，用365 nm紫外燈照射30 s，間隔2 min，設(shè)定最大循環(huán)拉力1 500 N，拉伸速度為10 mm/min。分別在焊縫的上端10 mm、焊縫處、焊縫下端10 mm取3個(gè)不同點(diǎn)(①、②、③)測(cè)試薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度。圖①、②、③分別為薄膜上不同的3個(gè)點(diǎn)所測(cè)得的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度與加載拉力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度上明顯可見，處于焊接處的薄膜應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度明顯大于鋼板其他位置薄膜應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度，②的強(qiáng)度值分別比①和③高48.4%和47.8%，說明鋼板焊接處為應(yīng)力集中處，使用SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜能夠有效地響應(yīng)負(fù)載板材上的應(yīng)力分布狀況。

圖5 薄膜不同點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度值

3.6 應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)焊板斷裂的響應(yīng)

為了研究鋼板斷裂時(shí)SAOEH薄膜的應(yīng)力發(fā)光特性，我們同樣在焊接鋼板上制備0.9 mm厚的應(yīng)力發(fā)光薄膜并進(jìn)行循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，鋼板上的SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜在365 nm紫外燈下照射30 s，間隔2 min，設(shè)定最大循環(huán)拉力為4 500 N，拉升速度為15 mm/min，在焊縫區(qū)域測(cè)得薄膜應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度與拉力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，在前5次施加拉力的過程中，應(yīng)力發(fā)光薄膜的發(fā)光強(qiáng)度與拉力成線性關(guān)系，直到第6次循環(huán)時(shí)，鋼板產(chǎn)生疲勞斷裂，在斷裂過程中薄膜發(fā)光強(qiáng)度急劇上升，出現(xiàn)非?？捎^的信號(hào)強(qiáng)度，隨后迅速減弱。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜具有檢測(cè)焊接缺陷的可行性和實(shí)用性。當(dāng)焊縫區(qū)域承受正常范圍的應(yīng)力時(shí)，SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度會(huì)穩(wěn)定在一特定范圍，隨應(yīng)力變化在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。而當(dāng)焊縫區(qū)域承受的力突然超出這一范圍出現(xiàn)斷裂，SAOEH薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)隨之大幅度增大，超出閾值，出現(xiàn)可監(jiān)控的信號(hào)強(qiáng)度，這樣就可以對(duì)將要發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，防患于未然。因此，SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜可以做到對(duì)焊縫缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖6 鋼板焊縫疲勞斷裂時(shí)薄膜的應(yīng)力發(fā)光曲線

Fig.6 Mechanoluminescence curve of steel plate during fatigue fracture

3.7 應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板焊縫檢測(cè)的可視化

圖7展示了應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板焊縫可視圖片。如圖7(a)所示，將0.8 mm厚的激光焊接鋼板背面用砂紙打磨平整，貼上應(yīng)力發(fā)光薄膜，并結(jié)合CCD相機(jī)對(duì)薄膜進(jìn)行圖像采集，先對(duì)薄膜采集背景發(fā)光強(qiáng)度，如圖7(b)所示，應(yīng)力發(fā)光薄膜背景發(fā)光強(qiáng)度均勻，無明顯亮點(diǎn)；之后對(duì)焊接的鋼板施加4 000 N的拉力，拉伸速度為10 mm/min，相機(jī)曝光時(shí)間為3 s，得到薄膜應(yīng)力發(fā)光圖片，如圖7(c)所示?？梢?，薄膜的整體發(fā)光強(qiáng)度提高，特別是在鋼板的中間焊縫連接區(qū)域，薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度值明顯大于其他區(qū)域。

圖7 應(yīng)力發(fā)光薄膜對(duì)鋼板焊縫的可視化

在圖7(d)中，可明顯地觀察到鋼板上焊縫對(duì)應(yīng)的薄膜應(yīng)力發(fā)光，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并結(jié)合二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，我們可以確定焊縫處的應(yīng)力集中點(diǎn)(X,Y)，如圖6(d)中①(77,132)和②(97,131)兩點(diǎn)，說明利用應(yīng)力發(fā)光薄膜與圖像采集技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的可視化監(jiān)測(cè)，這就為我們對(duì)隱患處進(jìn)行修補(bǔ)提供了準(zhǔn)確的位置以及破損程度等信息。

4 結(jié) 論

本文采用高溫固相法制備高亮度應(yīng)力發(fā)光材料SAOEH，并結(jié)合樹脂高分子制備應(yīng)力發(fā)光薄膜，探究其在焊接缺陷、裂紋等無損檢測(cè)中的潛在應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SAOEH應(yīng)力發(fā)光薄膜最大發(fā)射峰在521 nm，是典型的Eu2+的5d→4f(4f65d組態(tài)到基態(tài)4f7)躍遷發(fā)光，綠色余輝肉眼可見；薄膜的電鏡結(jié)果表明應(yīng)力發(fā)光粉體均勻鑲嵌在樹脂中，并且真空處理后消除了薄膜上大量氣泡微孔。當(dāng)薄膜厚度為0.9 mm時(shí)，其在鋼板上應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度最大。同樣，薄膜對(duì)鋼板焊縫缺陷具有良好的響應(yīng)值，薄膜在焊接處表現(xiàn)出較高的響應(yīng)值，當(dāng)焊接鋼板疲勞斷裂時(shí)，應(yīng)力發(fā)光薄膜可產(chǎn)生實(shí)時(shí)響應(yīng)。其次，我們針對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行可視化分布研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力發(fā)光薄膜在板材背面也可對(duì)鋼板的缺陷達(dá)到高靈敏檢測(cè)的效果，特別是在焊縫處，不僅能夠顯示應(yīng)力的分布狀態(tài)，而且可根據(jù)薄膜的應(yīng)力發(fā)光強(qiáng)度確定基板應(yīng)力相對(duì)大小，定位缺陷的位置，說明利用應(yīng)力發(fā)光薄膜可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基板的應(yīng)力狀態(tài)，并達(dá)到缺陷預(yù)警的目的。