原创 柔性PZT压电薄膜在机翼结构健康监测方面的应用

柔性PZT（锆钛酸铅）压电薄膜是一种具有高灵敏度和良好柔韧性的压电材料，在结构健康监测（SHM，Structural Health Monitoring）领域尤其适合应用于复杂形状的机翼结构在线实时监测。

1. 机翼结构健康监测的需求

• 飞机机翼是飞行载荷的主要承载部件，容易受到疲劳、裂纹和冲击等损伤。
• 对机翼结构的实时监测能够提高飞机的安全性和使用寿命，减少维护成本。
• 传统的监测技术（如超声波、光纤传感器）可能存在刚性过高、不适应复杂曲面的问题，而柔性PZT压电薄膜则是一个理想的替代方案。

2. 柔性PZT压电薄膜的特点

• 高灵敏度：能将机械振动、应力或应变转换为电信号，灵敏度高，适合检测微小损伤。
• 快速响应：
• 柔性：可贴合复杂表面共形设计（如机翼的弯曲或不规则形状），无损结构表面。
• 轻量化：对飞行性能影响极小。
• 耐用性：具备良好的耐疲劳性和环境适应性（适应高低温、湿度、抗辐照等复杂环境条件），适合长期服役环境。
• 多功能性：既可用作传感器（检测振动、裂纹、应力等），也可用作致动器（施加振动或波动信号以激发结构响应）。

3. 应用场景

1) 裂纹检测

• 柔性PZT薄膜可以布置在机翼表面或内部关键部位，通过导波技术（Lamb波）或振动分析实时检测裂纹的萌生和扩展。
• 当裂纹出现时，会改变机翼的振动模态或波传播特性，PZT薄膜能及时捕获这些信号变化。

2) 冲击损伤监测

• 在飞机飞行中，鸟撞、冰击或碎片撞击可能导致机翼损伤。
• 柔性PZT薄膜能够检测冲击事件引发的瞬态振动信号或结构动态响应，定位和量化损伤。

3) 应力与疲劳监测

• 通过周期性监测机翼关键部位的应力和应变分布，预测疲劳损伤的位置和程度。
• 柔性PZT薄膜的高灵敏度使其可以记录微小的应变波动。

4) 振动控制

• 柔性PZT不仅能监测振动，还可以作为致动器，主动减振或抑制某些频段的共振现象，从而保护机翼结构。

4. 技术优势

• 嵌入式监测：可以集成到复合材料结构中，形成智能结构系统。
• 实时监测：实现对机翼状态的全天候、实时监测。
• 无损性：不会破坏机翼表面或结构完整性。
• 便于大规模部署：柔性薄膜适合复杂形状，容易大面积应用。

前景展望

随着柔性电子和智能材料技术的发展，柔性PZT压电薄膜有望在机翼结构健康监测中实现更广泛的应用，例如：

• 与人工智能结合，进行自动化的损伤识别与预测。波膜研发团队联合波利通创新团队、Bolicom高速（无线）通信实验室、及卓膜实验室对人工智能算法进行了深入研究，并应用到工程当中，取得了引以为傲的成绩。
• 应用于无人机、超音速飞机或新型复合材料机翼的监测。

总之柔性PZT压电薄膜的高性能与灵活性使其成为机翼结构健康监测领域的重要技术突破，这项技术将进一步提升飞机的安全性与运行效率。

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