專利名稱：具有用于機械損傷的檢測結(jié)構(gòu)的部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由電絕緣材料制成的部件，該部件帶有用于檢測部件的 機械損傷的檢測結(jié)構(gòu)，其中，檢測結(jié)構(gòu)具有與該部件固定連接的電導(dǎo)體，并 且該檢測結(jié)構(gòu)的幾何形狀這樣地與部件的幾何形狀相匹配，使得部件的機械 損傷與電導(dǎo)體的電特性的改變相聯(lián)系。
背景技術(shù)：
本文開頭所述類型的部件例如在DE10223985A1中說明。部件是優(yōu)選由 陶瓷制成的熱屏蔽板。由于(例如可以安裝在燃氣輪機的燃燒室內(nèi)的)熱屏蔽 板的持續(xù)熱應(yīng)力，存在熱屏蔽板由于老化過程而受到機械損傷的風(fēng)險。機械 損傷通常存在于脆性材料中裂縫的形成，裂縫隨著運行持續(xù)時間的增加而增 長。如果裂縫增長達到一個特定階段，那么就因而以一種不可接受的方式限 制了熱屏蔽板的可靠性，因為熱屏蔽板可能會從其錨固件中松脫。為了能夠 檢測到這一時刻，設(shè)有用于對部件的機械損傷進行檢測的檢測結(jié)構(gòu)。這種檢 測結(jié)構(gòu)的幾何形狀與部件的幾何形狀的匹配起作用，使得由電導(dǎo)體構(gòu)成的檢 測結(jié)構(gòu)在裂縫形成時這樣地被損壞，使得其電特性、尤其是其導(dǎo)電能力發(fā)生 改變。這種改變可以作為裂縫的形成發(fā)展到不允許的程度的特征，其中，對 檢測結(jié)構(gòu)的電信號的評估能夠得出何時必須更換熱屏蔽板的結(jié)論。
電導(dǎo)體和部件之間的固定連接要么可以在部件的表面上實現(xiàn)，例如通過 將陶瓷的導(dǎo)體安裝在表面上或者將陶瓷導(dǎo)體安置在在表面上延伸的凹槽內(nèi) 并與陶瓷部件燒結(jié)到一起。另一種可能性是將電導(dǎo)體設(shè)在部件內(nèi)部。例如可 以通過在制造基體時將環(huán)路嵌入該熱屏蔽板內(nèi)而將導(dǎo)電材料呈環(huán)路狀地布 置在熱屏蔽板內(nèi)。
根據(jù)EP300380A1已知的是，由云母制成的顆?？梢栽O(shè)有銀導(dǎo)電層，并 可以用于聚有機硅氧烷化合物。由此產(chǎn)生一種熱硬化的化合材料，該材料在 硬化后提高了導(dǎo)電特性。由于云母的晶體結(jié)構(gòu)，云母顆粒是指具有強烈各向 異性的機械特性的顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種帶有作為用于損傷的檢測結(jié)構(gòu) 的電導(dǎo)體的部件，其中，該電導(dǎo)體對損傷相對靈敏地反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，這一技術(shù)問題利用本文開頭所述類型的、其中電導(dǎo)體由相 互接觸的、帶有金屬表面的顆粒構(gòu)成的部件通過下面詳細描述的措施加以解 決，即，使用帶有金屬包殼以及與部件特性相匹配的芯部的顆粒。
因此，電導(dǎo)體的導(dǎo)通由此實現(xiàn)，即，具有金屬表面的顆粒相互接觸，使 得具有金屬表面的顆粒之間能夠發(fā)生電子交換。由此，在顆粒的接觸表面上 有意地形成了電導(dǎo)體的特別敏感的區(qū)域，所述區(qū)域在部件損傷(尤其是切斷 電導(dǎo)體的裂縫生長)的情況下導(dǎo)致電導(dǎo)體的電特性的明顯變化。電導(dǎo)體的導(dǎo) 通電阻尤其相對強烈地變化。
由于制造過程，在由具有金屬表面的顆粒制造電導(dǎo)體時會導(dǎo)致構(gòu)成金屬 表面的金屬熔化，使得形成電導(dǎo)體的顆粒的結(jié)合得以加固。不過，在現(xiàn)在在 內(nèi)部連接的顆粒之間的過渡位置處，所產(chǎn)生的電導(dǎo)體相對于機械應(yīng)力的敏感 性保持提高。顆粒的金屬表面也可能在制造部件時不熔化。當所用金屬的熔 點高于在制造部件時出現(xiàn)的溫度時是這種情況。在塑料部件的情況下，對于 多數(shù)金屬都是如此。在為進行制造而必須采用退火處理的陶瓷部件的情況 下，可以使用適當?shù)碾y熔金屬，例如鎢。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)計為，顆粒由帶有金屬包殼的電絕緣芯部組成。由此，即 使在金屬熔化時也形成了所產(chǎn)生的電導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成非實心 的，而是除了在顆粒之間形成的空隙之外還具有由顆粒的電絕緣芯部材料填 充的部分區(qū)域。導(dǎo)體的由此形成的泡沫狀結(jié)構(gòu)還帶來了相對于機械損傷的特 別敏感性。
而且，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計為，芯部由這樣一種材料制成，該材料關(guān)于其機 械特性、尤其是它的熱膨脹特性與部件材料的特性相匹配。尤其在承受熱應(yīng) 力的部件(如熱屏蔽板)的情況下，由此得到的優(yōu)點在于，布設(shè)在部件內(nèi)部的 電導(dǎo)體具有與包圍的部件的熱膨脹特性相匹配的熱膨脹特性。由此，可以避
免由于兩種不同材料的不同熱膨脹而出現(xiàn)的應(yīng)力，并因而可以使部件具有機
械過應(yīng)力。 一般而言，金屬材料例如具有比陶t:部件更高的熱膨脹系數(shù)，這 給金屬導(dǎo)體在陶瓷熱屏蔽板中的使用帶來了困難。即，除了部件的應(yīng)力，在電導(dǎo)體由于所產(chǎn)生的應(yīng)力而發(fā)生變形時，部件以及電導(dǎo)體的不同的熱膨脹也 使借助電導(dǎo)體產(chǎn)生的測量結(jié)果出現(xiàn)錯誤。因此，通過電導(dǎo)體與部件的熱膨脹 特性的匹配，也可以改進測量方法的靈敏度，從而降低發(fā)生測量誤差的可能 性。特別有利的是，相同地選擇芯部材料與部件的材料，因為由此可以盡最 大可能地匹配電導(dǎo)體和包圍它的部件的機械特性。
顯然上述措施對于設(shè)置在部件表面的電導(dǎo)體也是有效的。在此，不同的 熱膨脹系數(shù)甚至可以導(dǎo)致電導(dǎo)體從表面脫離，從而完全破壞用于機械損傷的 檢測結(jié)構(gòu)。由此例如會產(chǎn)生一種被解釋成部件損傷、尤其是裂縫生長的進展 已達到需要更換部件的程度的錯誤信息。
根據(jù)本發(fā)明的一種特殊構(gòu)造設(shè)計為，具有金屬表面的顆粒在電導(dǎo)體中與 完全由電絕緣材料、尤其由部件的材料制成的顆粒混合地存在。由此，可以 有利地進一步降低電導(dǎo)體內(nèi)的金屬填充度。除了顆粒間的空隙或者顆粒的可 能的非金屬芯部之外，在電導(dǎo)體內(nèi)也存在由完全由電絕緣材料制成的顆粒組 成的部分區(qū)域。通過降低電導(dǎo)體內(nèi)的金屬材料填充度，所述電導(dǎo)體按照所述 機制有利地相對于機械損傷更敏感。由此進一步提高了檢測結(jié)構(gòu)的靈敏度。
如上所述，尤其有利的是檢測結(jié)構(gòu)的一種如下應(yīng)用，其中，要檢測的機 械損傷是部件中的裂縫形成，其中，在這種情況下導(dǎo)體這樣地延伸，使得該 導(dǎo)體被預(yù)計的裂縫生長所切開。由此，有利地實現(xiàn)，即，在裂縫生長到達導(dǎo) 體表面時優(yōu)選與導(dǎo)體的走向成直角地開始分割該導(dǎo)體，從而相對于發(fā)展的裂 縫生長產(chǎn)生導(dǎo)體電特性的最大可能的變化。由此， 一旦裂縫到達用作檢測結(jié) 構(gòu)的導(dǎo)體并繼續(xù)發(fā)展時，就可能發(fā)生電特性的改變。
如果導(dǎo)體的平行于部件表面延伸是尤其有利的。在此，要考慮到這樣的
情況部件中的裂縫通常從表面出發(fā)向部件內(nèi)部蔓延，并因而導(dǎo)致有關(guān)部件
橫截面連續(xù)地機械削弱。裂縫生長以部件的機械失效而告終，其中，檢測結(jié) 構(gòu)應(yīng)阻止部件失效。如果導(dǎo)體平行于部件表面布設(shè)，那么應(yīng)注意到，在裂縫 導(dǎo)致部件失效之前導(dǎo)體就由于裂縫生長而斷開。
如果設(shè)置有多個以不同的距離平行于表面延伸的相互獨立的導(dǎo)體是特 別有利的。由此不僅可以保證在部件失效之前及時更換部件，而且也能夠在 裂縫擴張的早期了解部件狀態(tài)。在存在相互獨立的導(dǎo)體的情況下，發(fā)展的裂 縫生長隨著裂縫擴張前沿距表面間距的增長而到達前后相繼的相鄰的獨立 導(dǎo)體，從而可以估計出當前裂縫擴張前沿的階段。電導(dǎo)體可以針對要檢驗的特性(例如電阻)通過電接觸進行估值。在這種 情況下，可以例如通過電導(dǎo)體發(fā)送直流電或交流電，這能夠確定電阻。另一 種可能是非接觸式地實現(xiàn)電導(dǎo)體的特性的檢測。在此，在高頻范圍內(nèi)產(chǎn)生電 磁激勵，該電磁激勵導(dǎo)致有關(guān)導(dǎo)體的響應(yīng)。對此響應(yīng)例如可以借助天線非接 觸式地檢測。在檢測結(jié)構(gòu)的這種設(shè)計中，這樣地構(gòu)造獨立的各導(dǎo)體的走向是 有利的，即，使各導(dǎo)體在高頻電磁激勵下產(chǎn)生可以相互區(qū)別的頻譜特征。導(dǎo) 體的頻譜特征在本發(fā)明的范圍內(nèi)是指這樣一個數(shù)學(xué)函數(shù)，其中，利用該數(shù)學(xué)
能夠在激勵區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同的頻譜特征，改變不同的相互獨立的各導(dǎo)體的電 特性是必要的。這可以例如通過選擇導(dǎo)體在部件內(nèi)的走向、導(dǎo)體的厚度以及 通過選擇導(dǎo)體材料實現(xiàn)，其中顆粒的布置可以按上述方式對電特性的變化做 出貢獻。如果相互獨立的各導(dǎo)體在它們的頻譜特征方面可以是不同的，那么 有利的是確定所述導(dǎo)體中的特定一個的電特性的改變，因為它們的頻譜特征 的改變可以毫無疑義地歸結(jié)于所述電特性的改變。另一方面，導(dǎo)體的機械損 傷，尤其是導(dǎo)體由于部件內(nèi)的裂縫形成的斷開不允許使導(dǎo)體的頻譜特征這樣 程度地異化，即，使導(dǎo)體改變了的頻譜特征與其它導(dǎo)體的頻譜特征相比不再 具有足夠的區(qū)別力。在這種情況下，丟失了位置信息。
根據(jù)本發(fā)明的一種特別的設(shè)計，導(dǎo)體具有環(huán)路形的走向。導(dǎo)體可以有利 地沿部件(例如熱屏蔽板)的邊緣平面地布設(shè)。此外，可以以具有環(huán)路形走向 的導(dǎo)體為高頻激勵產(chǎn)生特別良好的頻譜特征，由于環(huán)路在特定的裂縫生長的 情況下的斷開，該頻譜特征也以容易驗證的方式改變。


下面結(jié)合

本發(fā)明的具體細節(jié)。圖中相同或相應(yīng)的圖示元素分別
具有相同的附圖標記，并且僅對各圖的不同之處進行了重復(fù)解釋。在附圖中 圖1示出了作為根據(jù)本發(fā)明的部件的實施形式的熱屏蔽板的橫截面， 圖2示出了作為根據(jù)本發(fā)明的部件的另 一 實施形式的熱屏蔽板的俯視圖， 圖3和圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)中的電導(dǎo)體，
圖5和圖6以局部剖面圖示出了如何將電導(dǎo)體的不同實施形式安裝到根 據(jù)本發(fā)明的部件內(nèi)。
具體實施例方式
圖1所示部件11被構(gòu)造為例如用于燃氣輪機燃燒室的熱屏蔽板。該部件 具有一個朝向燃燒室的前側(cè)12，該前側(cè)最強烈地承受由于燃燒過程造成的熱
應(yīng)力；以及具有一個后側(cè)13，該部件可以按照一種未詳細示出的方式用此后 側(cè)固定在燃燒室壁上。部件ll由陶瓷制成。在部件內(nèi)部布設(shè)電導(dǎo)體14a，所 述電導(dǎo)體可以具有一種在圖1中不可見的環(huán)路形走向。導(dǎo)體14a具有至部件 11的后側(cè)13的電連接件15，該電連接件可通過接觸面16電接觸。在一凹 槽17內(nèi)安裝另一導(dǎo)體14b，所述導(dǎo)體在后側(cè)13同樣構(gòu)成一個未詳細示出的 環(huán)路(Schleife)。而且，在部件的由后側(cè)13構(gòu)成的表面上構(gòu)造有凸起的導(dǎo)體 14c,該導(dǎo)體同樣環(huán)路形地延伸。導(dǎo)體14b和14c也具有用于它們的接觸的 接觸面16。因為接觸面布置在部件11的后側(cè)13上且接觸面16的熱應(yīng)力可 以保持在極限以內(nèi)，因而即使在運行時也能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)置的熱屏蔽板的接通。
此外，圖1所示截面剛好延伸穿過一個裂縫18，所述裂縫的裂縫前部19 向箭頭20的方向在部件11內(nèi)展寬。在此，導(dǎo)體14a的最外側(cè)已經(jīng)被斷開， 因此在該導(dǎo)體電接通時電路不再能夠閉合。由于導(dǎo)體14a、 14b、 14c都平行 于由部件的前側(cè)12構(gòu)成的表面延伸，因而第一導(dǎo)體14a的故障能夠?qū)α芽p 的發(fā)展得出間接的推論。由于裂縫的進一步生長，另一導(dǎo)體14a、導(dǎo)體14b 以及最后導(dǎo)體14c相繼地斷開。
圖2示出了導(dǎo)體14a、 14b至板狀部件11的邊緣距離恒定的可能環(huán)路狀 的走向。另外可知，裂縫18的發(fā)展的裂縫生長相繼地首先斷開外部的環(huán)路 14a,然后斷開內(nèi)部的環(huán)路14b。與圖l所示不同，如圖2所示，導(dǎo)體14a、 14b被設(shè)計為感應(yīng)環(huán)路，即，所述導(dǎo)體14a、 14b不具有接觸面16并被設(shè)計 成閉合的。
由圖3至圖6可知，電導(dǎo)體14可以由金屬顆粒21組成，或由非金屬芯 部23以及金屬包殼24組成的顆粒22組成。另外，在導(dǎo)體14中還可設(shè)有由 電絕緣材料制成的其它顆粒25。部件ll(僅示出了與電導(dǎo)體14鄰接的部分區(qū) 域)與導(dǎo)體14固定連接，其中，圖3至圖6中示出的部件U和導(dǎo)體14之間 的各過渡段的截面能夠代表導(dǎo)體14a、 14b或14c的所有可能布置。
下面將詳細地解釋由顆粒21、 22、 25組成的導(dǎo)體的不同結(jié)構(gòu)，其中， 圖中所示的變型的其它組合可由本領(lǐng)域技術(shù)人員輕易獲得。所用的顆粒21 、 22、25可以被設(shè)計為微米顆粒(即，尺寸為約0.1至500 nm)或者納米顆粒(即，尺寸最高為100 nm)。
圖3所示的電導(dǎo)體由金屬顆粒21形成。這意味著，顆粒21由實心金屬 制成。相鄰的顆粒21分別在接觸位置26相接觸，其中，顆粒之間的空隙27 降低了電導(dǎo)體14的有效導(dǎo)電截面，并因此提高了對于導(dǎo)體14的損壞(例如 由于在部件11內(nèi)展寬的裂縫生長而造成的損壞)的靈敏度。
部件ll例如由塑料制成，其中，顆粒21澆鑄在塑料中。在與此相關(guān)的 制造過程中出現(xiàn)的溫度并不足以使顆粒21熔化。因此，相鄰顆粒的接觸位 置得以保持，而不用在相鄰顆粒21之間構(gòu)造材料接合的連接。
圖4所示部件11由陶乾制成并例如能夠構(gòu)成熱屏蔽板。再次使用金屬 顆粒21作為電導(dǎo)體14,其中，所述顆粒由于與構(gòu)件11的制造相關(guān)的熱處理 而至少在表面上熔化，并因而相互形成一種材料接合的連接28。不過，在此 可以在熔化的顆粒21之間留有空隙27。
此外，除了金屬顆粒21之外還使用由與部件11的材料相同的陶瓷材料 制成的其它顆粒25來構(gòu)成電導(dǎo)體14的結(jié)構(gòu)。所述其它顆粒例如可以由金屬 顆粒21包圍或者在與部件11的邊界處由于所進行的熱處理與部件11的材 料以材料接合的方式連接。也示出了構(gòu)成部件11的微結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒29的 邊緣。
由圖4進一步可知，其它顆粒25可以在電導(dǎo)體14的材料中僅按這樣的 相對于金屬顆粒21的濃度給出，使得金屬顆粒21可靠地構(gòu)成關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。 僅以這種方式能夠在電導(dǎo)體14內(nèi)構(gòu)成以虛線示出的導(dǎo)電路徑30,所述導(dǎo)電 路徑確保了導(dǎo)體14的導(dǎo)電能力。
在圖5所示的電導(dǎo)體14中，顆粒22用于傳導(dǎo)電流，所述顆粒分別由金 屬包殼24以及電絕緣芯部23組成。此外，可以設(shè)有由部件11的材料制成 的其它顆粒25。顆粒22的芯部23也可以由這種材料制成。與圖4不同的是， 包殼24的金屬材料足夠恒溫，使得所述金屬材料不會由于形成部件11的熱 處理熔化。因此，如圖3所示，顆粒22處在未熔化狀態(tài)下，所以僅接觸位 置26用于構(gòu)成導(dǎo)電路徑30。
將部件11的材料用于其它顆粒25和芯部23的優(yōu)點在于，導(dǎo)體14在部 件11的熱應(yīng)力下表現(xiàn)出與部件11的熱膨脹特性強烈地相匹配的特性。因此， 由于在部件11加熱時出現(xiàn)的熱膨脹而在電導(dǎo)體14中出現(xiàn)的應(yīng)力保持得最 小，使得導(dǎo)體14的電特性由于其本身的機械應(yīng)力的變化僅當部件11例如由于裂縫的形成而受到損傷時才出現(xiàn)。熱應(yīng)力僅僅可逆地且取決于溫度地單獨 改變導(dǎo)體14的電特性，并因此可以通過溫度測量來預(yù)測并加以考慮。
圖6所示電導(dǎo)體14同樣由帶有芯部23和包殼24的顆粒22組成。在制 造部件11時顆粒22的包殼24被熔化，使得在形成空隙27的同時得到金屬 材料的材料接合的連接28用于構(gòu)成電導(dǎo)體。導(dǎo)體14的有效截面在這種情況 下主要通過芯部23減少，但也通過空隙27減少。
芯部23由與部件11的材料不同的材料制成。但是，芯部23的材料在 熱膨脹特性方面與部件11相匹配。由此可以實現(xiàn)參照圖5所解釋的、電導(dǎo) 體關(guān)于由機械過應(yīng)力導(dǎo)致的電特性不希望的變化的溫度不敏感性。
權(quán)利要求
1. 一種由電絕緣材料制成的部件(11)，帶有用于該部件(11)的機械損傷的檢測結(jié)構(gòu)，其中，-所述檢測結(jié)構(gòu)具有與所述部件固定連接的電導(dǎo)體(14，14a，14b，14c)，-所述檢測結(jié)構(gòu)的幾何形狀這樣地與所述部件(11)的幾何形狀相匹配，使得所述部件(11)的機械損傷與所述電導(dǎo)體(14，14a，14b，14c)的電特性的改變相聯(lián)系，-所述電導(dǎo)體通過相互接觸的、帶有金屬表面的顆粒(21，22)構(gòu)成，其特征在于，所述顆粒(22)由帶有金屬包殼(24)的電絕緣芯部(23)制成，其中，所述芯部(23)由這樣的材料制成，該材料關(guān)于其機械特性、尤其是其熱膨脹特性與所述部件(11)的材料特性相匹配。
2. 如權(quán)利要求1所述的部件(ll)，其特征在于，所述芯部(23)的材料與 所述部件(ll)的材料相同。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的部件(11),其特征在于，具有金屬表面的所 述顆粒(21， 22)在所述電導(dǎo)體(14, 14a, 14b, 14c)中與完全由電絕緣材料、 尤其是由所述部件(l l)的材料制成的顆粒(25)混合存在。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的部件(ll)，其特征在于，所待檢測 的機械損傷是所述部件內(nèi)的裂縫形成，其中，所述導(dǎo)體(14， 14a， 14b, 14c) 這樣地延伸，使得所述導(dǎo)體被所預(yù)計的裂縫生長切開。
5. 如權(quán)利要求4所述的部件(11)，其特征在于，所述導(dǎo)體(14, 14a， 14b, 14c)平行于所述部件(ll)的表面延伸。
6. 如權(quán)利要求5所述的部件(11)，其特征在于，設(shè)置多個以不同距離平 行于所述表面延伸的、相互獨立的導(dǎo)體(14， 14a， 14b， 14c)。
7. 如權(quán)利要求6所述的部件(11),其特征在于，這樣地設(shè)計獨立的各所 述導(dǎo)體(14， 14a, 14b, 14c)的走向，使得所述導(dǎo)體在高頻電^f茲激勵下產(chǎn)生能 相互區(qū)別的頻譜特征。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項所述的部件(ll)，其特征在于，所述導(dǎo)體 (14， 14a, 14b， 14c)具有環(huán)路形的走向。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的部件(ll),其特征在于，所述部件 (ll)被構(gòu)造為用于熱屏蔽的襯層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由電氣絕緣材料制成的部件(11)，其中設(shè)有設(shè)計為導(dǎo)體(14a，14b，14c)的用于對諸如裂縫的機械損傷進行檢測的檢測結(jié)構(gòu)。這種檢測裝置的電氣特性在發(fā)展的裂縫形成(箭頭20)的情況下發(fā)生改變，因此部件(11)可以在失效前及時地更換。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，電導(dǎo)體通過相互接觸的顆粒與金屬表面一起形成。由此產(chǎn)生一種電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體優(yōu)選相對于機械損傷尤其靈敏，從而可以使檢測結(jié)構(gòu)(14a，14b，14c)實現(xiàn)較高靈敏度。如果所述金屬表面僅通過顆粒的包殼產(chǎn)生且顆粒內(nèi)部由部件(11)的材料制成，那么就可以另外為受強烈熱應(yīng)力作用的部件(11)，例如熱屏蔽板，產(chǎn)生在熱膨脹特性方面相匹配的導(dǎo)體。
文檔編號G01N3/06GK101523185SQ200780034185
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月13日
發(fā)明者厄休斯·克魯格, 奧利弗·施蒂爾, 弗蘭克·阿恩特 申請人:西門子公司