薄膜铂电阻温度传感器多股线束渐次屈服与断裂失效分析

2023-01-06胡彩霞孟津霄李文娟

兵器装备工程学报 2022年12期

钱诚,胡彩霞,孟津霄,李文娟

(1.北京航空航天大学，北京 100191； 2.北京航天自动控制研究所，北京 100854)

1 引言

航空发动机为飞行器提供推进动力，一旦发生故障就会导致飞行器动力下降甚至丧失，进而发生空难，造成人员财产损失[1]。为了保证航空发动机的稳定运行，飞行器在运行过程中需要有可靠的温度传感器对发动机的温度进行准确测量，以反馈给控制系统，来实时对发动机状态进行调整[2-3]。一旦温度传感器发生失效，将直接影响控制系统对环境温度的判断，导致发动机喷油量紊乱，推重比下降，同时会导致飞行员对航空发动机状态出现误判，使航空器出现重大安全隐患[4]。因此，温度传感器作为航空发动机的重要附件，其可靠性水平对保证航空发动机的安全运行至关重要[5]。

薄膜铂电阻温度传感器具有电阻随温度变化线性关系强、一致性和稳定性高且易于大批量生产等一系列优点，不仅是测量航空发动机进口温度的主流选择[6-7]，更是广泛应用于各温度测控领域[8]，其结构如图1所示。该传感器的内部导线为多股线束结构，即由多根股线缠绕在一根中心芯线上组成，可以在弯曲刚度和扭转刚度较低的情况下具有较高的屈服强度和抗拉强度，使其在保证柔韧性的同时可以承受更高的轴向载荷。多股线束的另一个优点在于其失效是阶段性的，在大多数使用环境下即使局部发生一定程度的损坏，比如断丝或者断股，依然可以继续工作一段时间[9]。因此，多股线束结构已经被广泛应用于传递动力、支撑结构、传输电流等重要功能。

图1 温度传感器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature sensor structure

在薄膜铂电阻温度传感器中，多股线束被设计为可以在绝缘层内自由滑动，但在实际生产过程中，常出现由于灌封工艺缺陷，封结剂挤压注等原因导致出现导线褶皱现象，使得传感器内部导线直接承受来自封结剂受热膨胀所带来的热应力，严重时将发生过应力屈服和断裂。由于多股线束内部的单根线束截面应力存在差异，而每根线束的屈服和断裂都会直接影响尚未发生屈服和断裂线束的应力分布，使得多股线束的失效体现出渐次屈服和断裂的特点。因此，开展多股线束的渐次屈服和断裂机理分析研究是建立其失效物理模型的基础和前提，为准确开展温度传感器的可靠性评估、验证与优化提供理论指导，进而为提高系统级产品的任务可靠性水平提供必要的保障。

近年来，针对多股线束的研究主要集中于大型多股线束(如钢索、钢缆等)在起动力传递和支撑作用时发生的失效。在对螺旋钢绞线弯曲行为的解析分析中，Foti等[10]通过定义钢绞线滑动的极限域，研究了弯曲钢绞线层间滑移行为。Kim等[11]进行了钢丝绳弯曲疲劳试验,研究了钢丝绳直径和拉应力对断裂强度和疲劳寿命的影响,并指出弯曲疲劳是导致钢丝绳寿命缩短的关键影响因素。Onur等[12]开展了针对钢丝绳弯曲疲劳寿命的实验研究，测量了受载荷的钢丝绳产生的热量，指出与抗旋转钢丝绳相比，6×36 钢丝绳具有更长的使用寿命。

渐次屈服和断裂作为多股线束失效的重要特点，目前主要采用预置断股线的试验方法进行研究。Wahid[13]在人工损坏的19×7钢绳样品上进行的拉伸试验，基于试验结果利用数值梯形法则确定线束的断裂能，从能量的角度分析了钢丝绳线芯拉伸实验中出现的渐次屈服和断裂行为，预测了钢丝绳的损伤演化。在进一步的研究中，Wahid[14]基于能量法评估了多股线束的退化过程，并利用损伤曲线得到了多股线束可靠度曲线。Zhang[15]同样通过在多股线束内预置断丝的方法研究多股线束的渐次断裂，他认为在弯曲载荷下，先断裂的金属丝会对附近未断裂金属丝产生负面影响，加速多股线束失效并导致金属丝断裂位置具有一定的聚集性。

从上述国内外研究现状来看，目前的研究主要集中于大型多股线束的失效行为，与温度传感器中的多股线束相比，二者具有相似的结构，但尺寸、功能和使用场景存在较大差异。在针对大型多股线束渐次屈服与断裂机制的研究中，一般是通过预置断裂股线的试验方法研究多股线束的损伤特征，但由于温度传感器的导线过细，故无法采用基于预置断股线的方法开展温度传感器中多股线束失效机理的相关研究。因此，本文中将以薄膜铂电阻温度传感器中的多股线束为研究对象，开展多股线束拉伸试验研究，通过对拉伸试验数据进行分析，进一步探究多股线束的渐次屈服与渐次断裂失效行为。

2 多股线束拉伸实验

2.1 多股线束试件制备

本文中的研究对象即多股线束试样的结构如图2(a)所示[16]。其由21根导线绞合缠绕而成。共制备30个图2(b)所示的多股线束试件，试件制备的详细过程如下：

1) 在0.23 mm厚的36 mm×210 mm矩形牛皮纸中心截除尺寸为20 mm×140 mm的圆角矩形孔，用于制作多股线束的纸质保护框架。保护框架的设计可以在试验前保护多股线束不产生弯折损伤和螺旋结构松散，并可在拉伸试验过程中作为夹头和多股线束之间的缓冲层，减少损伤并缓解应力集中，保证断裂过程和提取参数不受影响和干扰；

2) 截取长度为19 cm的AFR-250导线，剥去线束中段的聚四氟乙烯薄膜以便于观察断裂过程，剥去线束两端的聚四氟乙烯薄膜以便于对多股线束的两端进行固定，防止滑脱，并为线束保留一定长度的聚四氟乙烯薄膜以防止多股线束螺旋结构松散；

3) 在一侧纸质保护框架的两端滴加强力胶水，后放置多股线束，通过强力胶水将多股线束两端固定在保护框架上，再放置另一侧纸质保护框架，使纸质保护框架从两侧共同夹住多股线束，静置等待胶水凝固将多股线束和保护框架粘牢，至此多股线束试件制成。

2.2 实验设备及操作步骤

选用MTS CRITERION Model 43电子万能试验机进行多股线束的拉伸试验。该设备额定负荷为100 N，位移精度为50 μm，测力精度为1 N，数据采集频率为1 000 Hz。此外，如图3所示，实验装置还包括一台记录实验数据的计算机和记录断裂过程的摄像机。

图3 多股线束拉伸实验装置图Fig.3 Multi-strand wire tensile test device

多股线束渐次屈服和断裂实验的具体操作步骤如下：

1) 将多股线束试件夹持在夹头上，将仪器的力和位移测量值归零；

2) 如图4所示，在标记的剪裁处将多股线束两侧的保护框架剪断，并将纸质保护框架移除；

图4 去除纸质保护框架的多股线束试件实物图Fig.4 Multi-strand wire specimen with paper protection frame removed

3) 进行预拉伸，将多股线束拉直，避免松弛导致的测量误差；

4) 将拉伸速度设置为10 mm/min，拉伸试验过程中记录力-位移测试数据，并打开摄像机记录试件的拉伸断裂过程；

5) 持续拉伸直到多股线束彻底断裂，关闭摄像机，储存数据，拆卸试件，仪器复位，试验结束。

3 结果与讨论

3.1 实验现象分析

在实验过程中可观察到多股线束表现出了明显的渐次断裂现象。图5为试件13在拉伸过程中表现出渐次断裂的6张照片，可以看到，随着位移量的增加，多股线束的共21根单线束分为5个阶段实现了渐次断裂。从图6所示的力-位移曲线也可以观察到多个断裂点，故可推测存在各阶段将发生不少于一根单线束同时断裂的情况。

图5 多股线束试件13拉伸试验渐次断裂照片Fig.5 Progressive fracture photos of the 13-th multi strand wire specimen in tensile test

图6 多股线束试件13的力-位移曲线Fig.6 Force-displacement curves of the 13-th multi-strand wire specimen

图7展示了多股线束试件13彻底断裂后的裂口照片。断裂部分表现了较为明显的参差不齐的特征，即单线束的断裂位置集中在一个区域内，但同时具有一定的分散性。这种现象产生的原因主要是因为部分线束断裂导致剩余线束截面应力的增大，同时又因为受到多股线束的螺旋结构和线束之间的摩擦等因素的影响，部分线束断裂对未断裂线束应力的影响被限制在了断裂位置的周围，而在此范围内，单根线束的材料性能和结构特征呈现出了分散性的特征，从而导致了线束的断裂位置也具有分散性。

图7 拉伸试验后断裂的多股线束试件13实物图Fig.7 Fractured multi-strand wire specimen 13 after tensile test

3.2 实验数据分析

经过总计30组的拉伸试验后，绘制得到图8所示的多股线束试样力-位移曲线集合。由图8可以看出，多股线束的渐次屈服和渐次断裂是较为普遍的情况。各试件在弹性阶段的力-位移曲线基本相近，而在试件发生屈服进入塑性阶段后，各试件的力-位移曲线表现出了较大的差异性，而在塑性阶段的后期，各试件间的差异性有所减小。这主要是由于每个多股线束内部的各单根线束的材料性能具有分散性，从而导致各单线束发生屈服进入塑性阶段时所对应的时间不一，而在屈服阶段的后期，各单根线束均已进入屈服阶段，试件间的分散性程度有所降低。此处认为，由于内部缺陷分布的不均匀性、轴向载荷的不一致性以及铜导线具有的非线的本构关系，导致了力-位移曲线呈现出了分散性的特征，尤其是在塑性阶段的前期分散性水平相对更高。

图8 30组多股线束拉伸试验提取的力-位移曲线Fig.8 Force-displacement curve extracted from thirty sets of multi-strand wire tensile tests

图8中多股线束发生渐次屈服和断裂的分散性特征和差异性水平，通过基于力-位移数据获取关键特征参数(即多股线束的屈服点力、屈服点位移、断裂点力和断裂点位移)对多股线束的试验力-位移曲线的特征进行分析。其中，取多股线束第一次发生断裂时对应的力和位移作为断裂点力和断裂点位移。而由于多股线束内部线束的渐次屈服机理，多股线束的屈服点并不明显，对于屈服点不明显的试验对象，工程上规定将残余变形达到0.2%时的点作为屈服点[17]，基于力-位移曲线获取的屈服点力和屈服点位移如图9所示。获取各试验样本的屈服点及对应的力和位移数据的步骤主要包括：

1) 绘制各多股线束试验得到的力-位移曲线；

2) 基于力-位移曲线线性阶段的数据拟合相应的斜率值k，如式(1)所示：

(1)

式中:F为力；x为位移。

3) 以多股线束应变为0.2%时的位移值为起点绘制斜率为k的直线，与力-位移曲线在屈服阶段的交点即为屈服点，屈服点对应的位移即为屈服位移。

图9 试验屈服点获取示意图Fig.9 Schematic diagram of test yield point acquisition

在获取四类特征参数后，为了选用合适的统计概率分布模型定量描述该特征参数的分散性特点，将采用稳健性高、适用范围广的Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验方法对基于试验获取的数据进行概率分布检验。在置信度水平为95%的条件下，在对上述四类特征参数进行K-S检验后得到的各参数的概率分布直方图和分布拟合曲线如图10所示。所服从的概率分布模型如表1所示。

图10 多股线束特征参数的概率分布直方图和分布拟合曲线Fig.10 Probability distribution histogram and distribution fitting curve of multi-strand wire characteristic parameters

表1 多股线束特征参数的概率分布模型Table 1 Probability distribution model of multi-strand wire characteristic parameters

考虑到多股线束本身的尺寸、缠绕结构和材料性能等方面存在分散性，在各种不确性因素的影响下多股线束的屈服和断裂也表现出了强烈的不确定性特征。从表1给出的4个参数特征的概率分布模型来看，多股线束屈服点力的均值仅为断裂点力均值的36.23%，屈服点位移均值仅为断裂点位移均值的2.38%，即说明多股线束较快地从弹性阶段进入了屈服阶段，且屈服阶段用时相对更长，反映了多股线束渐次屈服的特点。表1中的数据表明，屈服点力和断裂点力的变异系数均远小于各自对应的位移的变异系数。该现象产生主要是由于导线材料性能(如弹性模量、屈服强度等)的分散性导致的。同时发现，在多股线束渐次屈服和断裂机制的作用下，断裂点处位移与力在分散性上的差异(即变异系数3.43% vs.1.05%)较屈服点处(即变异系数4.04% vs.0.70%)具有较为显著的下降。表1给出的各特征参数统计分布模型为后续开展多股线束的基于应力强度干涉理论的可靠性分析与评估提供了广义强度分布。