本技術(shù)涉及智能螺栓，具體而言，涉及一種帶應(yīng)力傳感器的智能螺栓。

背景技術(shù)：

1、在緊固件制造中，正確選用緊固件材料是很重要的一環(huán)，因為緊固件的性能和其材料有著密切的關(guān)系；如材料選擇不當(dāng)或不正確，可能造成性能達不到要求，使用壽命縮短，甚至發(fā)生意外或加工困難、制造成本高等，因此緊固件材料的選用是非常重要的環(huán)節(jié)。

2、當(dāng)今大飛機、大型發(fā)電設(shè)備、汽車、高速火車、大型船舶、大型成套設(shè)備等為代表的先進制造已成為重要的發(fā)展方向，緊固件也隨之進入重要的發(fā)展階段。螺栓的性能等級在8.8級以上者，稱為高強度螺栓。高強度螺栓可承受的載荷比同規(guī)格的普通螺栓要大，多用于橋梁、鋼軌、高壓及超高壓設(shè)備的連接，這種螺栓的斷裂多為脆性斷裂。應(yīng)用于超高壓設(shè)備上的高強度螺栓，為了保證容器的密封，需要施以較大的預(yù)應(yīng)力。

3、現(xiàn)國家標準只羅列到m39，對于大尺寸規(guī)格，特別是長度大于10～15倍的高強度螺栓，國內(nèi)尚無相關(guān)產(chǎn)品。橋梁、鋼軌、高壓及超高壓設(shè)備的連接常用到高強度螺栓，其材質(zhì)有合金鋼如40cr、42crmo等，碳鋼如8.8級、10.9級、12.9級等。0cr具有一定的韌性和硬度，價格相對較低，適用于一般高強度要求的應(yīng)用；42crmo強度和韌性較高，適用于承受較大負荷和沖擊的場合；45#鋼硬度和耐磨性較好，但是相對較脆，多用于制造螺母和螺柱桿；35crmo強度和韌性較好，適用于制造要求高、承受更大壓力的高強螺栓；20crmoti鈦合金強化材料，材質(zhì)輕，耐腐蝕和耐磨損，強度和韌性出色。如果有按照強度等級來分，8.8級碳鋼適用于一般結(jié)構(gòu)連接；10.9級碳鋼強度更高，適用于更高強度的結(jié)構(gòu)連接；12.9級碳鋼強度非常高，適用于對強度要求非常嚴格的應(yīng)用?？偟膩碚f，如果應(yīng)用場合環(huán)境復(fù)雜，就要選擇耐腐蝕、耐磨的材質(zhì)；如果要承受更大的壓力，就要選擇高強度的材質(zhì)；如果是要承受拉力的工況，那么就需要選擇高強度且韌性好的材質(zhì)。但目前對于抗拉強度在1500mpa以上的緊固件研究較少，未見到相關(guān)的研究報道。特別是風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的抗疲勞斷裂高強度緊固件研究更少。

4、高熵合金(high-entropyalloys)簡稱heas，是一類具有優(yōu)異性能的新型材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等特點受到科學(xué)界廣泛關(guān)注。高熵合金是由五種以上元素，各元素原子隨機占據(jù)一個晶格點位的晶體。葉均蔚等發(fā)現(xiàn)以cocrcufeni為代表的面心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金；張勇等發(fā)現(xiàn)以a1cocrfeni為代表的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的合金。如今高熵概念被廣泛應(yīng)用于各種材料如氧化物、硫族化合物和鹵化物。材料的斷裂往往關(guān)乎著安全的問題，一般來說根據(jù)失效應(yīng)變可以分為脆性和韌性斷裂。脆性斷裂沒有塑性變形的跡象，通常以災(zāi)難性方式發(fā)生，開發(fā)具有卓越抗拉和疲勞性能的新型金屬材料具有重要意義。據(jù)報道當(dāng)溫度從298k下降到77k時，crmnfeconi高熵合金的斷裂韌性幾乎保持恒定，而crconi高熵合金的斷裂韌性略微增加。在這些heas中，沒有出現(xiàn)像鋼、非晶合金、鎂合金、多孔金屬和納米金屬等許多傳統(tǒng)合金那樣尖銳的韌脆轉(zhuǎn)變，這表明這些合金可能是極端寒冷條件下應(yīng)用的優(yōu)良候選材料，例如用于船體、飛機和低溫儲存罐的材料等。

5、高熵合金具有高硬度、高強度特點，可廣泛應(yīng)用在電機、變壓器、機床工具、消費電子、發(fā)動機葉片、噴氣飛機引擎等眾多領(lǐng)域。高熵合金是一個全新的合金領(lǐng)域，它跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計框架、是具有許多優(yōu)異性能的、特殊合金系，調(diào)整其成分可以進一步優(yōu)化性能，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)有關(guān)高熵合金緊固件的研究才剛剛起步，雖然有不少研究者開始關(guān)注此類合金的研究，但相關(guān)數(shù)據(jù)尚屬實驗室階段，未真正進入實際應(yīng)用階段。

6、有鑒于此，本發(fā)明人針對這一需求展開深入研究，遂有本案產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型設(shè)計了帶應(yīng)力傳感器的智能螺栓結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對應(yīng)用過程的應(yīng)力狀態(tài)進行檢測和監(jiān)測，對于復(fù)雜環(huán)境抗疲勞和抗斷裂緊固連接需求具有重要價值。具體技術(shù)方案如下：

2、一種帶應(yīng)力傳感器的智能螺栓，包括螺栓本體，所述螺栓本體的頭部設(shè)置有應(yīng)力傳感器，所述應(yīng)力傳感器包括由內(nèi)至外依次層疊設(shè)置的結(jié)合層、支撐層、壓電功能層和耐磨電極層；

3、且所述結(jié)合層為與所述螺栓本體材質(zhì)相同的涂層；所述壓電功能層為zno涂層；所述支撐層為第一納米陶瓷層和第二納米陶瓷層交替層疊形成的納米多層陶瓷層。

4、在螺栓本體上依次設(shè)置結(jié)合層、支撐層、壓電功能層和耐磨電極層形成應(yīng)力傳感器的層結(jié)構(gòu)，并將結(jié)合層的材質(zhì)設(shè)置成與螺栓本體相同材質(zhì)的涂層，支撐層設(shè)置為第一納米陶瓷層和第二納米陶瓷層交替層疊形成的納米多層陶瓷層，壓電功能層設(shè)置成zno涂層，有效提高了應(yīng)力傳感器與螺栓本體的結(jié)合性能，實現(xiàn)了對應(yīng)用過程的應(yīng)力狀態(tài)的檢測和監(jiān)測，對于不同材質(zhì)智能螺栓中應(yīng)力傳感器的層結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

5、支撐層采用納米多層陶瓷層，不但提高涂層的硬度，同時其為金屬-陶瓷復(fù)合材料，具有較低的應(yīng)力。

6、優(yōu)選地，所述第一納米陶瓷層材質(zhì)與所述螺栓本體材質(zhì)相同，所述第二納米陶瓷層材質(zhì)與所述耐磨電極層材質(zhì)相同。

7、優(yōu)選地，所述支撐層上單層第一納米陶瓷層的厚度為10-20納米，單層第二納米陶瓷層的厚度為5-10納米。

8、優(yōu)選地，所述壓電功能層的厚度為7000-13000納米。

9、優(yōu)選地，所述壓電功能層的晶體結(jié)構(gòu)為柱狀晶，柱狀晶直徑為0.5-2.0微米。

10、優(yōu)選地，所述耐磨電極層的厚度為1-20微米，所述結(jié)合層的涂層厚度為20-100納米。

11、優(yōu)選地，所述螺栓本體的材質(zhì)為ni-co-fe-mo-al高熵合金，所述結(jié)合層為ni-co-fe-mo-al高熵納米晶合金涂層，納米晶晶粒尺度為10-20納米。

12、優(yōu)選地，所述耐磨電極層為ni-co-fe-mo-al-n高熵合金導(dǎo)電陶瓷涂層。螺栓本體材質(zhì)采用ni-co-fe-mo-al高熵合金，使得螺栓具有超高強度抗疲勞特性。耐磨電極層采用ni-co-fe-mo-al-n高熵合金導(dǎo)電陶瓷涂層，不但可以解決傳統(tǒng)ti、cr和銀等材料的低硬度耐摩擦差的問題，而且大幅度提高了電極的硬度，從而大幅度提高了其耐磨性能。

13、優(yōu)選地，所述支撐層由1層第一納米陶瓷層和1層第二納米陶瓷層層疊形成；且單層第一納米陶瓷層厚度為10納米，單層第二納米陶瓷層厚度為5納米。

14、優(yōu)選地，所述螺栓本體的頭部形成有凹槽，所述應(yīng)力傳感器位于所述凹槽內(nèi)，可以保護應(yīng)力傳感器不被破壞。

15、有益效果：

16、采用本實用新型技術(shù)方案至少有如下有益效果：

17、(1)在螺栓本體上依次設(shè)置結(jié)合層、支撐層、壓電功能層和耐磨電極層形成應(yīng)力傳感器的層結(jié)構(gòu)，并將結(jié)合層的材質(zhì)設(shè)置成與螺栓本體相同材質(zhì)的涂層，支撐層設(shè)置為第一納米陶瓷層和第二納米陶瓷層交替層疊形成的納米多層陶瓷層，壓電功能層設(shè)置成zno涂層，有效提高了應(yīng)力傳感器與螺栓本體的結(jié)合性能，實現(xiàn)了對應(yīng)用過程的應(yīng)力狀態(tài)的檢測和監(jiān)測，對于不同材質(zhì)智能螺栓中應(yīng)力傳感器的層結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

18、(2)螺栓本體材質(zhì)采用ni-co-fe-mo-al高熵合金，使得螺栓具有超高強度抗疲勞特性。耐磨電極層采用ni-co-fe-mo-al-n高熵合金導(dǎo)電陶瓷涂層，不但可以解決傳統(tǒng)ti、cr和銀等材料的低硬度耐摩擦差的問題，而且大幅度提高了電極的硬度，從而大幅度提高了其耐磨性能。

19、(3)支撐層采用納米多層陶瓷層，不但提高涂層的硬度，同時其為金屬-陶瓷復(fù)合材料，具有較低的應(yīng)力。