一种TiB2-SiCN陶瓷高温薄膜应变计及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种TiB2‑

A TiB2 SiCN ceramic high temperature thin film strain gauge and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计及其制备方法


[0001]本专利技术属于薄膜传感器领域，具体涉及一种在镍基合金上原位制备的耐高温TiB2‑
SiCN陶瓷薄膜应变计及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空发动机在工作时其内部会产生一个高温、高压、强振的恶劣工作环境，叶片等高温部件在此极端环境下承受着热应力、接触应力、氧化腐蚀等，极易产生疲劳、蠕变、颤振等不良现象，引发叶片裂纹、变形和折断等故障。因此对叶片的应力/应变进行监测，可确定其是否满足设计指标，其测试结果也是验证和修改叶片结构设计的重要依据。
[0003]当前常见应变计如金属丝式应变计、箔式应变计、光纤应变计等，通过高温粘附、火焰喷涂等方式贴附在被测结构表面，干扰其应变分布，影响叶片气动设计；而薄膜应变计厚度为微米级，可直接喷涂在部件表面而不影响被测结构和设备内部环境，从而实现高温环境中被测构件表面应力/应变的原位测量。
[0004]薄膜应变计采用PdCr材料为主的合金薄膜作为敏感材料，其应变系数较低；ITO等陶瓷材料作为敏感材料能承受比合金更高的温度，应变系数较高，但电阻温度系数不稳定。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对目前高温薄膜应变计的敏感材料所存在的问题，即应变系数低、电阻温度系数不稳定等，提供一种金属硼化物掺杂先驱体陶瓷作为敏感材料的高温薄膜应变计及其制备方法。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，包括高温合金基底、绝缘层，TiB2‑
SiCN敏感层和金属引线；绝缘层覆设于高温合金基底表面，TiB2‑
SiCN敏感层和金属引线设于绝缘层上，金属引线连接TiB2‑
SiCN敏感层；所述TiB2‑
SiCN敏感层由TiB2粉末掺杂的PSN2溶液沉积于绝缘层表面并在空气氛围中热解形成，且在热解过程中TiB2‑
SiCN敏感层表面原位自生长形成氧化保护层。
[0008]可选的，所述TiB2粉末掺杂的PSN2溶液中，TiB2的质量分数为40～80wt％；所述TiB2粉末的粒径为20nm～1μm。
[0009]可选的，所述TiB2‑
SiCN敏感层是敏感栅结构，敏感栅的厚度为5～50μm，线宽为50～500μm。
[0010]可选的，还包括金属焊盘和金属导线，所述金属引线通过金属焊盘与金属导线电性连接。
[0011]可选的，所述高温合金基底是镍基合金基底，工作温度为室温至1200℃。
[0012]一种上述TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：
[0013]1)打磨、抛光、清洗高温合金基底；
[0014]2)在高温合金基底表面覆设绝缘层；
[0015]3)在绝缘层上沉积金属引线；
[0016]4)配置TiB2粉末掺杂的PSN2溶液，TiB2粉末的质量分数为40～80wt％，粒径为20nm～1μm；
[0017]5)利用韦森堡直写平台将步骤(4)所得的溶液在绝缘层上直写敏感栅，敏感栅引出端与金属引线的首端相连；
[0018]6)将完成步骤(5)的器件在800℃～900℃空气氛围中保温1～2小时进行热解，得到的TiB2‑
SiCN敏感层被空气氧化而在表面原位生成氧化保护层。
[0019]可选的，步骤2)中，在所述高温合金基底上涂覆Al2O3/SiO2/CaCO3混合浆料，在800℃～900℃空气氛围中保温10～120分钟烧结成所述绝缘层。
[0020]可选的，步骤3)中，所述金属引线是银钯浆料使用10～50vol％无水乙醇稀释后，通过韦森堡直写平台在所述绝缘层上直写形成。
[0021]可选的，所述金属焊盘和金属导线的材料是金属银，步骤3)中，还包括使用银钯浆料将所述金属引线的末端、金属焊盘、金属导线三者粘合的步骤，粘合后在500℃～900℃空气氛围中保温10～120分钟进行烧结。
[0022]可选的，步骤6)中，所述热解的升温速率为1～5℃/min，降温速率为1～10℃/min。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]1)通过韦森堡直写技术直写TiB2掺杂的PSN2先驱体溶液，可实现薄膜厚度、线宽可调，可实现PDC薄膜的可控、高质量、图案化制备；
[0025]2)先驱体陶瓷(PDC)具有巨压阻效应，其优异的高温稳定性、抗氧化/腐蚀特性、性能可调性、加工成型性，金属硼化物是一种具有超高熔点、优异抗氧化性和较低电阻率的超高温陶瓷材料，通过TiB2粉末掺杂PSN2先驱体溶液，经过直写
‑
热解后形成的TiB2‑
SiCN敏感层有极佳的应变特性、电阻重复性、电阻高温稳定性，且有较大的应变系数和较低电阻率；
[0026]3)TiB2‑
SiCN敏感层在空气氛围热解过程中，其表面原位生成了一层致密的氧化层，保护内部的敏感层不再被进一步氧化，保障了应变计的高温抗氧化性和稳定性，提高了应变计的性能、可靠性和寿命。
附图说明
[0027]图1为实施例的TiB2‑
SiCN陶瓷高温应变计的结构示意图；
[0028]图2为实施例的TiB2‑
SiCN陶瓷高温应变计的制备工艺流程图；
[0029]图3为实施例的TiB2‑
SiCN陶瓷高温应变计的实物图和绝缘层厚度示意图；
[0030]图4为实施例的基于韦森堡效应的直写平台的原理示意图；
[0031]图5为实施例的TiB2‑
SiCN敏感层的厚度示意图；
[0032]图6为实施例的TiB2‑
SiCN陶瓷高温应变计的SEM图(a)，EDS分析图谱(b)，绝缘层SEM图(c)，和TiB2‑
SiCN敏感层SEM图(d)；
[0033]图7为实施例的TiB2‑
SiCN敏感层的氧化保护层表面SEM及元素分析(a)，断面SEM图及元素分析(b)，和双层结构示意图(c)；
[0034]图8为实施例采用的应变测试平台(a)和温阻测试平台(b)的原理示意图；
[0035]图9为实施例的TiB2‑
SiCN陶瓷高温应变计的常温应变测试(a)
±
200με*5台阶响应，(b)以恒定100με/s应变施加速度达到不同应变峰值(200～1000με)，(c)常温1000με动
态响应，(d)以不同应变施加速度(100～1000με/s)达到相同应变峰值1000με；
[0036]图10为实施例的TiB2
‑
SiCN陶瓷高温应变计在不同温度下(a)170℃，(b)228℃，(c)320℃，(d)440℃，(e)550℃，(f)670℃，(g)750℃，(h)810℃的台阶响应、恒定应变施加速度响应及动态响应；
[0037]图11为实施例的TiB2‑
SiCN陶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，其特征在于：包括高温合金基底、绝缘层，TiB2‑
SiCN敏感层和金属引线；绝缘层覆设于高温合金基底表面，TiB2‑
SiCN敏感层和金属引线设于绝缘层上，金属引线连接TiB2‑
SiCN敏感层；所述TiB2‑
SiCN敏感层由TiB2粉末掺杂的PSN2溶液沉积于绝缘层表面并在空气氛围中热解形成，且在热解过程中TiB2‑
SiCN敏感层表面原位自生长形成氧化保护层。2.根据权利要求1所述的TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，其特征在于：所述TiB2粉末掺杂的PSN2溶液中，TiB2的质量分数为40～80wt％；所述TiB2粉末的粒径为20nm～1μm。3.根据权利要求1所述的TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，其特征在于：所述TiB2‑
SiCN敏感层是敏感栅结构，敏感栅的厚度为5～50μm，线宽为50～500μm。4.根据权利要求1所述的TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，其特征在于：还包括金属焊盘和金属导线，所述金属引线通过金属焊盘与金属导线电性连接。5.根据权利要求1所述的TiB2‑
SiCN陶瓷高温薄膜应变计，其特征在于：所述高温合金基底是镍基合金基底，工作温度为室温至1200℃。6.一种权利要求1～5任一项所述的TiB2‑
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：海振银，孙道恒，林帆，武超，潘晓川，陈沁楠，何功汉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：