专利名称：一种智能涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及表面涂层技术领域，更具体地说，涉及ー种智能涂层及其制备方法。
背景技术：
现有零件表面在服役时，若其动态损伤无法感知，则无法掌控零件表面的磨损状态。当前的零件表面疲劳磨损试验多以震动、摩擦系数、温度等因素的变化作为评估零件表面磨损状态的判断依据。当选定判断因素的实际值超过了预设的门槛值，则说明零件表面失效，然后对失效件进行断ロ分析，通过经验或经典理论反向推断出失效机理。但是这种以“事后判断”为主的失效行为与机理研究，不能判断零件表面的临界失效状态，故无法建立可动态监测并控制零件表面失效的掌控机制。 由于智能传感元件可以实时监控零件表面的磨损状态，因此,在零件表面上设置智能传感单元便成了人们的首选。当前常用的ー种智能传感单元是压电传感器，所述压电传感器是利用压电材料的压电效应制备的。在压电传感器在应用到机械设备的过程中，需要将压电传感器粘贴到设备(或零件)上。但是，由于ー些机械设备的结构复杂或工作环境恶劣，使得所述压电传感器与设备(或零件)间的结合度差，造成了压电传感器的检测精度差，甚至脱落的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供ー种智能涂层及其制备方法，该智能涂层的方法能够极大地提高传感器与设备基底间的结合強度，进而避免压电传感器的检测精度差，甚至脱落的问题。。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案ー种智能涂层，包括基底；第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖在所述基底表面上；多个第一传感单元，所述多个第一传感单元设置在所述第一绝缘层表面上，沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸；第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上；多个第二传感单元，所述多个第二传感单元设置在所述第二绝缘层表面上，沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸；耐磨层，所述耐磨层覆盖在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上；其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元具有压电效应。优选的，所述第一方向与第二方向相互垂直。
优选的，所述第一传感单元宽度和第二传感单元的宽度均为2mnT4mm。优选的，相邻的两个第一传感单元之间的距离和相邻的两个第二传感单元之间的距离均为2mnr"4mm。优选的，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化铝层或氧化钛层或氧化铝与氧化钛的合金层。优选的，所述第一传感单元和第二传感单元的制作材料均为PbTi03。优选的，所述智能涂层还包括第一上电极，所述第一上电极设置在所述第一传感单元上表面边缘；第一下电极，所述第一下电极设置在所述第一传感单元下表面边缘；第二上电极，所述第二上电极设置在所述第二传感单元表面上；第二下电极，所述第二下电极设置在所述第二传感单元下表面边缘。ー种智能涂层的制备方法，包括在一基底表面上形成第一绝缘层；在所述绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸；在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层；在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸；在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层；对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。优选的，所述在一基底表面上形成第一绝缘层，包括通过超音速等离子喷涂エ艺在所述基底表面上形成第一绝缘层。优选的，在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层，包括通过超音速等离子喷涂エ艺在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成
第二绝缘层。优选的，在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元，包括将具有多个第一传感单元形状的掩膜覆盖在所述第一绝缘层表面上；通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元。优选的，在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，包括将具有多个第二传感单元形状的掩膜覆盖在所述第二绝缘层表面上；通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元。优选的，在所述第二传感单元、第和第二绝缘层表面上形成耐磨层，包括通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层。优选的，所述方法还包括在所述第一传感单元上表面边缘形成第一上电极；在所述第一传感单元下表面边缘形成第一下电极；在所述第二传感单元表面上形成第二上电极；
在所述第二传感单元下表面边缘形成第二下电极；烘干。优选的，在一基底表面上形成第一绝缘层之前，还包括对所述基底表面进行预处理，得到粗糙的基底表面。一种基于上述智能涂层的定位方法，该定位方法包括当所述耐磨层受到磨损损伤时，所述第一传感单元产生第一检测信号，所述第二传感单元产生第二检测信号；对所述第一检测信号和第二检测信号进行筛选，选取最大的第一检测信号和最大的第二检测信号；通过产生最大第一检测信号的第一传感单元定位所述耐磨层在第二方向上的损伤位置；通过产生最大第二检测信号的第二传感单元定位所述耐磨层在第一方向上的损伤位置；通过所述耐磨层在第一方向上和第二方向上的损伤位置确定所述耐磨层的损伤 位置。由于本申请所提供的智能涂层的多个第一传感单元和多个第二传感单元具有压电效应，在零件表面覆盖耐磨层，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元可以对零件表面(即耐磨层)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器，与现有的通过粘贴来结合的传感器和基底相比，本申请所提供的智能涂层可以避免传感器和设备零件之间粘合度差的问题。而且所述第一传感单元沿第一方向延伸，所述第二传感单元沿第二方向延伸，则在所述耐磨层受到损伤的时候，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元所产生的电信号最強，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元所产生的电信号也是最强的，而所述第一传感单元与第二传感单元之间绝缘，第一传感单元所产生的电信号和第二传感单元产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明所提供的ー种智能涂层制的俯视图；图2为本发明所提供的ー种智能涂层沿B-B’线的剖面图；图3为本发明所提供的ー种智能涂层制备方法的流程示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明实施例公开了ー种智能涂层，如图I和图2所示，包括基底1，所述基底I为任意形状的基底，即所述基底I可以为任意形状的零件，优选为所述基底为金属基底，更优选的为45#钢，即所述基底可以为蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件，还可为齿轮、轴、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火)，并可以为铸件；或者，所述基底为铜基底或铝基底，以适应其他场合应用的部件。第一绝缘层2，所述第一绝缘层2覆盖在所述基底I表面上，且所述第一绝缘层2优选为氧化铝层或氧化钛层或氧化铝与氧化钛的合金层。 多个第一传感单元3，所述第一传感单元3设置在所述第一绝缘层2表面上，呈长条状，宽度为2mnT4mm，优选为3_，相邻的两个第一传感单元3之间的距离为2mnT4mm，优选为3mm。所述多个第一传感单元3沿第二方向排列，且沿第一方向延伸。所述第一方向与第二方向相互垂直，或近于垂直。第二绝缘层4，所述第二绝缘层4覆盖在所述多个第一传感单元3和第一绝缘层2表面上，且所述第二绝缘层4优选为氧化铝层或氧化钛层或氧化铝与氧化钛的合金层。多个第二传感单元5，所述第二传感单元5设置在所述第二绝缘层4表面上，呈长条状，宽度为2mnT4mm,优选为3mm,相邻的两个第一传感单元3之间的距离为2mnT4mm,优选为3mm。所述多个第二传感单兀5沿第一方向排列,且沿第二方向延伸。所述第一传感单元3和第二传感单元5为具有压电效应的单元，其制作材料优选为压电陶瓷，更优选为PbTiO3或者BaTiO3或者PZT。耐磨层6，所述耐磨层6覆盖在所述第二传感单元5和第二绝缘层4表面上，所述耐磨层为FeGrBSi层。所述FeCrBSi合金价格便宜,与第二传感单元5和第二绝缘层4的结合度好，且耐磨性好，则以所述FeCrBSi合金作为耐磨层6的制作材料，可以进ー步的增大零件表面的耐磨性，且不易脱落。由于本申请实施例所提供的智能涂层的多个第一传感单元3和多个第二传感单元5具有压电效应，在零件表面上覆盖耐磨层6，则可以对零件表面(即耐磨层6)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器，与现有的通过粘贴来结合的传感器和基底相比，本申请所提供的智能涂层可以避免传感器和零件之间粘合度差的问题。而且，所述第一传感单元3沿第一方向延伸，所述第二传感单元5沿第二方向延イ申，二者相互交叉，呈网格状，则在所述耐磨层6受到损伤的时候，所述多个第一传感单元3和多个第二传感单元5均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元3所产生的电信号最強，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元5所产生的电信号也是最强的，且所述第一传感单元3与第二传感单元5之间绝缘，第一传感单元3所产生的电信号和第二传感单元5产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。并且，所述多个第一传感单元3与基底I之间设置有第一绝缘层2，则可以避免所述多个第一传感单元3产生的电信号流入基底1，即避免电信号的损失，増大对损伤的检测灵敏度。可见，在收集零件表面涂层(耐磨层6)的磨损损伤或微断裂时，所述智能涂层发出的电流可以作为特征信号来完成对涂层临界失效状态的判断，即对零件表面涂层状态的判断模式为“完整…较完整…未失效…临界失效…失效”的多选式的连续判断模式，即可完成对零件表面涂层的失效演变过程的实时、在线和动态掌握，并可以精确定位磨损位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。需要说明的是，对于第一传感单元3和第二传感单元5而言，更小的宽度和更小间距可以增大所述智能涂层的定位精度，因此在不同的需求下，可以相应的改动传感单元的宽度和间距，或者改变第一传感单元3和第二传感单元5的形状，以增大其适用范围。
另外，所述智能涂层还包括第一上电极31，所述第一上电极31设置在所述第一传感单元3上表面边缘，第一下电极32，所述第一下电极32设置在所述第一传感单元3下表面边缘，所述第一上电极31和第一下电极32为所述第一传感单元3对涂层损伤产生的电流的导出电扱。第二上电极51，所述第二上电极51设置在所述第二传感单元5表面上，第二下电极52，所述第二下电极52设置在所述第二传感单元5下表面边缘，所述第二上电极51和第ニ下电极52为所述第二传感单元5对涂层损伤产生的电流的导出电扱。此外，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52还需要连接引线，以将所述电流导出。优选的，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52均为金电极，以提高导电性，降低电流的损耗。并且，所述第一上电极31、第一下电极32、第二上电极51和第二下电极52均设置在所述涂层的非磨损部位，以避免由于零件表面涂层磨损对电极的影响。本发明另ー实施例公开了ー种智能涂层的制备方法，如图3所示，包括在一基底表面上形成第一绝缘层。所述基底为任意形状的基底，即所述基底可以为任意形状的零件，优选为所述基底为金属基底，更优选的为45#钢，即所述基底可以为蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件，还可为齿轮、轴、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火)，并可以为铸件；或者，所述基底为铜基底或铝基底，以适应其他场合应用的部件。在所述绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸。在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层。在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸。在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层。对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应，完成所述智能涂层的制作。由于所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应，则所述传感层可以对零件表面的损伤产生电信号，即得到的智能涂层具有压电传感器的功能，可以对零件表面(即耐磨层)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器。与现有的通过粘贴来结合的传感器和基底相比，本申请所提供的智能涂层的制备方法可以避免传感器和基底之间粘合度差的问题。而且所述第一传感单元沿第一方向延伸，所述第二传感单元沿第二方向延伸，则在所述耐磨层受到损伤的时候，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元所产生的电信号最強，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元所产生的电信号也是最強的，而所述第一传感单元与第二传感单元之间绝缘，第一传感单元所产生的电信号和第二传感单元产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。并且，所述多个第一传感单元与基底之间设置有绝缘层，则可以避免所述多个第ー传感单元产生的电信号流入基底，即避免电信号的损失，増大对损伤的检测灵敏度。可见，在收集零件表面涂层(耐磨层)的磨损损伤或微断裂吋，所述智能涂层发出 的电流可以作为特征信号来完成对涂层临界失效状态的判断，即对零件表面涂层状态的判断模式为“完整…较完整…未失效…临界失效…失效”的多选式的连续判断模式，即可完成对零件表面涂层的失效演变过程的实时、在线和动态掌握，并可以精确定位磨损位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。本发明又一实施例公开了另ー种智能涂层的制备方法，包括通过超音速等离子喷涂エ艺在一金属基底表面上形成第一绝缘层，所述第一绝缘层的制作材料为氧化铝或氧化钛或氧化铝与氧化钛的合金。具体的，本实施例中，所述形成第一绝缘层的超音速等离子喷涂エ艺，包括喷涂电压为110广13(^，优选为120V ;喷涂电流为370A 400A，优选为385A ;喷涂功率为30kW 50kW，优选为40kW ;喷涂距离为100mnTl20mm，优选为110mm。将具有多个第一传感单元形状的掩膜覆盖在所述第一绝缘层表面上，通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单元沿第一方向延伸。本实施例中，所述第一传感单元的制作材料为压电陶瓷，优选为PbTiO315通过超音速等离子喷涂エ艺将PbTiO3喷涂到第一绝缘层表面，最终会在未被掩膜遮挡的位置形成第一传感单元，在被掩膜遮挡的位置会露出第一绝缘层。形成所述多个第一传感单元的超音速等离子喷涂エ艺，包括喷涂电压为110广13(^，优选为120V ;喷涂电流为350A 380A，优选为365A ;喷涂功率为35kW 55kW，优选为45kW ;喷涂距离为90mnTl 10mm，优选为100mm。通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层，所述第二绝缘层的制作材料为氧化铝或氧化钛或氧化铝与氧化钛的合金。与所述第一绝缘层的制作方法相同，在本实施例中，形成所述第二绝缘层的超音速等离子喷涂エ艺，包括喷涂电压为110广13(^，优选为120V ;喷涂电流为370A 400A，优选为385A ;喷涂功率为30kW 50kW，优选为40kW ;喷涂距离为100mnTl20mm，优选为110mm。将具有多个第二传感单元形状的掩膜覆盖在所述第二绝缘层表面上，通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸。本实施例中，所述第二传感单元的制作材料为压电陶瓷，优选为PbTiO315通过超音速等离子喷涂エ艺将PbTiO3喷涂到第一绝缘层表面，最终会在未被掩膜遮挡的位置形成第一传感单元，在被掩膜遮挡的位置会露出第一绝缘层。形成所述多个第一传感单元的超音速等离子喷涂エ艺，包括喷涂电压为110广13(^，优选为120V ;喷涂电流为350A 380A，优选为365A ;喷涂功率为35kW 55kW，优选为45kW ;喷涂距离为90mnTl 10mm，优选为100mm。
此外，还可以通过化学气相沉积エ艺在所述绝缘层表面上形成第一传感单元和第ニ传感单元。其中，沉积温度为900°C 1150°C，优选为100°C，沉积时间为4h 8h，优选为6h，沉积环境压カ为6KPa 15KPa，优选为lOKPa。通过超音速等离子喷涂エ艺在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层。所述形成耐磨层的喷涂エ艺包括喷涂电压为110广13(^，优选为120V，喷涂电流为410A 430A，优选为420A，喷涂功率为40kW 55kW，优选为48kW，喷涂距离为90mnTl00mm，优选为95mm。由于FeCrBSi合金价格便宜，且耐磨性好，所以以所述FeCrBSi合金作为耐磨层的制作材料，可以进一歩的増大零件表面的耐磨性，且不易脱落。对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。具体的，将所述第一传感单元和第二传感单元放入极化电场中，极化温度为180 V 200 V，优选为190 V，极化电场强度为2. 4KV/mnT2. 6KV/mm,优选为2. 5KV/mm,对所述第一传感单元和第二传感单元极化处理，持续时间不低于15min，优选的，持续时间为15min 20min,更优选为 18min。需要说明的是，超音速等离子喷涂エ艺属于热喷涂エ艺中的ー种，是制备表面涂层的重要エ艺。通过超音速等离子喷涂エ艺过程中，会产生较高温度的等离子火焰流，可以将各种喷涂材料加热至熔融状态。不但可以制备高质量的金属和合金涂层，还可以制备高熔点的陶瓷和金属陶瓷涂层，从而大大提高涂层的耐磨性。由于所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应，则所述传感层可以对零件表面的损伤产生电信号，即得到的智能涂层具有压电传感器的功能，可以对零件表面(即耐磨层)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器。与现有的通过粘贴来结合的传感器和基底相比，本申请所提供的智能涂层的制备方法可以避免传感器和基底之间粘合度差的问题。而且所述第一传感单元沿第一方向延伸，所述第二传感单元沿第二方向延伸，则在所述耐磨层受到损伤的时候，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元均会产生电信号，而且距离损伤位置最近的第一传感单元所产生的电信号最強，同样，距离损伤位置最近的第二传感单元所产生的电信号也是最强的，而所述第一传感单元与第二传感单元之间绝缘，第一传感单元所产生的电信号和第二传感单元产生的电信号之间不会相互干扰，通过对最强电信号的检测，可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。并且，所述多个第一传感单元与基底之间设置有绝缘层，则可以避免所述多个第ー传感单元产生的电信号流入基底，即避免电信号的损失，増大对损伤的检测灵敏度。可见，在收集零件表面涂层(耐磨层)的磨损损伤或微断裂吋，所述智能涂层发出的电流可以作为特征信号来完成对涂层临界失效状态的判断，即对零件表面涂层状态的判断模式为“完整…较完整…未失效…临界失效…失效”的多选式的连续判断模式，即可完成对零件表面涂层的失效演变过程的实时、在线和动态掌握，并可以精确定位磨损位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。本发明又一实施例公开了又ー种智能涂层的制备方法，包括 在一基底表面上形成第一绝缘层；在所述绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸；在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层；在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸； 在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层；在所述第一传感单元上表面边缘形成第一上电极，在所述第一传感单元下表面边缘形成第一下电极，所述第一上电极和第一下电极为所述第一传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极；在所述第二传感单元表面上形成第二上电极，在所述第二传感单元下表面边缘形成第二下电极，所述第二上电极和第二下电极为所述第二传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极；烘干，在烘干过程中，烘干温度为在120°C以上，优选的，所述烘干温度为1200C 150°C，更优选为130°C，烘干时间在15min以上，优选为20min ；对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。由于所述第一传感单元和第二传感单元产生的电流值较小，则所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极均为金电极优选为金电极，以提高导电性，降低电流的损耗。所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极通过涂覆エ艺形成，为了使所述金电极的厚度更均匀，则优选的分三次涂覆形成所述金电扱。需要说明的是，所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极还可以根据实际需求选用银电极或铝电极，具体材料不做任何限定，本实施例中为了取得更优的导电能力，故选用金电极。并且，所述第一上电极、第一下电极、第二上电极和第二下电极均设置在所述涂层的非磨损部位，以避免由于零件表面涂层磨损对电极的影响。本发明又一实施例公开了又ー种智能涂层的制备方法，包括
提供一基底，并对所述基底表面进行预处理，得到粗糙的基底表面。具体的，采用喷砂エ艺处理所述基底表面，在所述喷砂エ艺中，以棕刚玉为砂料，所述棕刚玉的粒度为15目 30目，优选为16目，喷砂气压为0. 5MPa IMPa，优选为0. 7MPa，喷砂角度为30° 60° ,优选为45°，喷砂距离为130mnTl60mm,优选为145mm。在所述基底表面上形成第一绝缘层，由于所述预处理过程可以增大基底的粗糙度，则所述第一绝缘层与基底之间的结合度更高。在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸。在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层。在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸。 在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层。在所述第一传感单元上表面边缘形成第一上电极，在所述第一传感单元下表面边缘形成第一下电极，所述第一上电极和第一下电极为所述第一传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极。在所述第二传感单元表面上形成第二上电极，在所述第二传感单元下表面边缘形成第二下电极，所述第二上电极和第二下电极为所述第二传感单元对涂层损伤产生的电流的导出电极。烘干，所述烘干过程中，烘干温度为120°C，烘干时间为20min。对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。本发明又一实施例公开了又ー种智能涂层的制备方法，包括提供基底，并对所述基底进行淬火处理，以提高所述基底的硬度，并使所述基底的硬度达到HRC55左右。用棕刚玉对所述基底表面进行喷砂处理，使所述基底表面具有一定的粗糙度。对氧化铝粉料、氧化钛粉料、PbTiO3粉料和FeCrBSi粉料自主造粒，使所述氧化铝粉料、氧化钛粉料、PbTiO3粉料和FeCrBSi粉料的粒径均匀，且所氧化铝粉料、氧化钛粉料、PbTiO3粉料和FeCrBSi粉料的粒径均达到40 u nT70 u m。在所述基底表面喷涂氧化铝和氧化钛，形成第一绝缘层。即将经过自主造粒的氧化铝粉料和氧化钛粉料放入送粉器，调整送粉量，使送粉量为30g/min，对上述经过喷砂处理的基底表面进行喷涂。所述喷涂过程中，喷涂电流为378A，喷涂电压为105V，喷涂功率为
42.6kff,喷涂主气为氩气，且所述喷涂主气的流速为3. Om3A,并辅助以氢气作为辅助气体，且所述辅助气体的流速为0. 25m3/h，喷涂距离为110mm，使得绝缘层厚度为60 y m。在所述第一绝缘层表面覆盖具有第一传感单元图形的掩膜，将经过自主造粒的PbTiO3粉料放入送粉器，调整送粉量，使送粉量为30g/min，对上述形成有第一绝缘层的基底表面进行喷涂。所述喷涂过程中，喷涂电流为360A，喷涂电压为120V，喷涂功率为
43.2kff,喷涂主气为氩气，且所述喷涂主气的流速为3. 2m3/h,并辅助以氢气作为辅助气体，且所述辅助气体的流速为0. 3m3/h,喷涂距离为100mm，且所述第一传感单元的厚度为100 u m0
在所述第一传感单元和第一绝缘层表面喷涂氧化铝和氧化钛，形成第二绝缘层。所述第二绝缘层的喷涂过程与第一绝缘层的喷涂过程相同。在所述第二绝缘层表面覆盖具有第二传感单元图形的掩膜，将经过自主造粒的PbTiO3粉料放入送粉器，调整送粉量，使送粉量为30g/min，对上述形成有第二绝缘层的基底表面进行喷涂。所述喷涂过程中，喷涂电流为360A，喷涂电压为120V，喷涂功率为
43.2kff,喷涂主气为氩气，且所述喷涂主气的流速为3. 2m3/h,并辅助以氢气作为辅助气体，且所述辅助气体的流速为0. 3m3/h,喷涂距离为100mm，且所述第二传感单元的厚度为100 u m。在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上喷涂FeCrBSi合金耐磨层。即将经过自主造粒的FeCrBSi粉料放入送粉器，调整送粉量，使送粉量为30g/min，所述喷涂过程中，喷涂电流为420A，喷涂电压为120V，喷涂功率为50. 9kff,喷涂主气为氩气，且所述喷涂主气的流速为2. 8m3/h,并辅助以氢气作为辅助气体，且所述辅助气体的流速为0. 4m3/h,喷涂距离为100mm，使得绝缘层厚度为300 u m。 喷涂结束后，进行检查，去除边缘的毛刺、清洗不浄等缺陷。然后用高阻摇表逐一检查，将电阻太小的剔出，以保证第一传感单元和第二传感单元能够达到标准的极化度。过滤或更换绝缘油，以保证极化槽和极化油及极化板的清洁。把动圈式温度调节仪的指控针调至极化温度点，通过加热极化槽，使油温升至所需要的极化温度。时间继电器调至需要极化的时间(15mirT30min)。将按极化温度预热过的形成有第一传感单元和第二传感单元的基底放在极化槽的正负电极之间，关好极化室的门。按通整流器部分低压电源开关，预热几分钟后打开高压开关，此时，时间继电器开始计吋。缓慢的升高正负电极之间的电压值，从2500V开始，每100V或200V为ー档，一直到预设数值(5000V)，极化时间ー至IJ，高压开关自动断开，则极化结束后，所述第一传感单元和第二传感单元具备压电效应，完成智能涂层的制作。本申请又ー实施例公开了ー种基于上述任ー实施例所述智能涂层的定位方法，包括当所述耐磨层受到磨损损伤时，所述多个第一传感单元产生多个第一检测信号，所述多个第二传感单元产生多个第二检测信号。由图I可见，当出现以A点为中心的磨损损伤时，在A点附近的第一传感单元3和第二传感单元5所受到的涂层(耐磨层6)撕裂或拉扯所产生的应力，而且离A点越近的传感单元受到的应カ越大。基于压电陶瓷的本身的特性，第一传感单元3和第二传感单元5均会产生压电电流，而且愈是靠近A点的传感单元所产生的压电电流愈大。以所述第一传感单元3和第二传感单元5均会产生压电电流作为检测信号，相应的，所述多个第一传感单元3产生多个压电电流作为多个第一检测信号，所述多个第二传感单元5产生的多个压电电流作为多个第二检测信号。对所述多个第一检测信号和多个第二检测信号进行筛选，选取最大的第一检测信号和最大的第二检测信号。由于距离A点越近的传感单元产生的压电电流越大，即距离A点最近的第一传感単元3会产生最大第一检测信号，第二传感单元5会产生最大的第二检测信号，因此，反过来便可通过会产生最大第一检测信号的第一传感单元3和产生最大的第二检测信号的第ニ传感单元5来确定A点的具体位置。
具体的，可以将第一方向和第二方向放入直接坐标系中，以所述第一方向为坐标系中的X轴方向，第二方向为坐标系中的Y轴方向，则通过产生最大第一检测信号的第一传感单元3可以定位所述耐磨层在第二方向上的损伤位置，即A点的Y坐标，通过产生最大第ニ检测信号的第二传感单元5定位所述耐磨层在第一方向上的损伤位置，即A点的X坐标，通过所述耐磨层在第一方向上和第二方向上的损伤位置(A点的X-Y坐标)确定所述耐磨层的损伤位置。为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。而且，由图I可知，所述智能涂层的各第一传感单元3之间是绝缘的，即某ー第一传感单元3产生的第一检测信号不会对其他的第一传感单元3造成影响，同理，所述第二传感单元5产生的第二检测信号不会对其他的第二传感单元5造成影响。并且第一传感单元3与第二传感单元5之间绝缘，则所述第一检测信号与第二检测信号之间亦不会相互影响。因此，对基底表面的磨损状位置的检测更加准确。 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种智能涂层，其特征在于，包括 基底； 第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖在所述基底表面上； 多个第一传感单元，所述多个第一传感单元设置在所述第一绝缘层表面上，沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸； 第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上；多个第二传感单元，所述多个第二传感单元设置在所述第二绝缘层表面上，沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸； 耐磨层，所述耐磨层覆盖在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上； 其中，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元具有压电效应。
2.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，所述第一方向与第二方向相互垂直。
3.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，所述第一传感单元宽度和第二传感单兀的宽度均为2mnT4mm。
4.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，相邻的两个第一传感单元之间的距离和相邻的两个第二传感单元之间的距离均为2mnT4mm。
5.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化铝层或氧化钛层或氧化铝与氧化钛的合金层。
6.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，所述第一传感单元和第二传感单元的制作材料均为PbTiO3。
7.根据权利要求I所述智能涂层，其特征在于，还包括 第一上电极，所述第一上电极设置在所述第一传感单元上表面边缘； 第一下电极，所述第一下电极设置在所述第一传感单元下表面边缘； 第二上电极，所述第二上电极设置在所述第二传感单元表面上； 第二下电极，所述第二下电极设置在所述第二传感单元下表面边缘。
8.一种智能涂层的制备方法，其特征在于，包括 在一基底表面上形成第一绝缘层； 在所述绝缘层表面上形成多个第一传感单元，所述多个第一传感单元沿第二方向排列，且所述第一传感单兀沿第一方向延伸； 在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层； 在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，所述多个第二传感单元沿第一方向排列，且所述第二传感单元沿第二方向延伸； 在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层； 对所述第一传感单元和第二传感单元进行极化处理，使所述第一传感单元和第二传感单元具有压电效应。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述在一基底表面上形成第一绝缘层，包括 通过超音速等离子喷涂工艺在所述基底表面上形成第一绝缘层。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层，包括通过超音速等离子喷涂工艺在所述多个第一传感单元和第一绝缘层表面上形成第二绝缘层。
11.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元，包括 将具有多个第一传感单元形状的掩膜覆盖在所述第一绝缘层表面上； 通过超音速等离子喷涂工艺在所述第一绝缘层表面上形成多个第一传感单元。
12.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元，包括 将具有多个第二传感单元形状的掩膜覆盖在所述第二绝缘层表面上； 通过超音速等离子喷涂工艺在所述第二绝缘层表面上形成多个第二传感单元。
13.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述第二传感单元、第和第二绝缘层表面上形成耐磨层，包括 通过超音速等离子喷涂工艺在所述第二传感单元和第二绝缘层表面上形成耐磨层。
14.根据权利要求9所述方法，其特征在于，还包括 在所述第一传感单元上表面边缘形成第一上电极； 在所述第一传感单元下表面边缘形成第一下电极； 在所述第二传感单元表面上形成第二上电极； 在所述第二传感单元下表面边缘形成第二下电极； 烘干。
15.根据权利要求9所述方法,其特征在于，在一基底表面上形成第一绝缘层之前，还包括 对所述基底表面进行预处理，得到粗糙的基底表面。
16.一种基于权利要求f 7所述智能涂层的定位方法，其特征在于，包括 当所述耐磨层受到磨损损伤时，所述第一传感单元产生第一检测信号，所述第二传感单元产生第二检测信号； 对所述第一检测信号和第二检测信号进行筛选，选取最大的第一检测信号和最大的第二检测信号； 通过产生最大第一检测信号的第一传感单元定位所述耐磨层在第二方向上的损伤位置； 通过产生最大第二检测信号的第二传感单元定位所述耐磨层在第一方向上的损伤位置； 通过所述耐磨层在第一方向上和第二方向上的损伤位置确定所述耐磨层的损伤位置。
全文摘要
本发明实施例公开了一种智能涂层，包括基底、第一绝缘层、多个第一传感单元、第二绝缘层、多个第二传感单元和耐磨层，所述多个第一传感单元和多个第二传感单元具有压电效应。所述智能涂层可以对零件表面(即耐磨层)的磨损状态实时监控、反馈，因此无需再粘贴传感器，与现有的通过粘贴来结合的传感器和基底相比，本申请所提供的智能涂层可以避免传感器和基底之间粘合度差的问题。而且可以精确定位损伤位置，为零件表面的磨损状态提供更多、更准确的信息，更利于对零件表面的磨损状态的监测与后期分析。
文档编号C23C4/12GK102862339SQ20121036486
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者王海斗, 邢志国, 徐滨士, 卢晓亮, 李国禄, 朱丽娜, 康嘉杰 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院