基于柔性基底的ALT热流传感器制备研究

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航空发动机涡轮叶片的自主研发能力建设对于国防安全至关重要,而涡轮叶片曲面位置的热流分布信息的测试对于其结构设计和热保护系统的改善而言是不可或缺的。现有的热流传感器技术在各种研发测试中可以实现对大范围平面或小弧度曲面整体稳态热流分布情况的监测,对于高频脉动热流的测试则主要使用原子层热电堆热流传感器进行。然而,现有的单晶衬底上的原子层热电堆热流传感器在大曲率曲面位置布置困难,且会对流场产生较大干扰,研制柔性高频热流传感器对于解决曲面高频热流测量难题有重大意义。为此,本论文基于柔性C276合金基带,在其上生长具有倾斜织构的MgO薄膜,并分别在MgO薄膜上分别外延生长了具有较大塞贝克系数的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜和具有耐高温特性的LaxCa1-xMn O3(LCMO)薄膜,验证模板层的织构对柔性原子层热电堆薄膜传感器的热电响应的影响,以及基于本技术路线制备柔性原子层热电堆热流传感器的可行性。1.利用溶液沉积平坦化方法(SDP),对柔性基底进行抛光,将其表面粗糙度从11 nm(20μm×20μm)减小到1.1 nm(20μm×20μm),为MgO薄膜的生长提供良好的衬底条件。2.利用倾斜基底沉积技术(ISD),通过调整工艺参数,研究了不同倾斜角度MgO薄膜的生长条件和织构情况。随着衬底倾斜角度的改变,生长了具有不同c轴倾斜角度和面内外织构的MgO薄膜。对其织构测试的结果显示,具有最好织构的MgO薄膜c轴倾斜角度约23°,面外半高宽Δχ=4.08°,面内半高宽Δ?=7.67°。3.在倾斜生长的MgO薄膜上,分别以金属有机物化学气相沉积方法(MOCVD)外延生长了YBCO和LCMO薄膜。XRD测试结果显示YBCO和LCMO的面内外织构都在MgO模板层倾斜约23°时达到最佳。YBCO薄膜最佳织构面外半高宽Δχ=3.69°,面内半高宽Δ?=7.43°;LMCO最佳织构面外半高宽Δχ=3.75°,面内半高宽Δ?=9.04°。长×宽为6 mm×4 mm的YBCO热流传感器的响应时间随倾斜角度增大而增大,c轴倾斜13.5°的样品响应时间约70ns,灵敏度为7.8μV/(k W·m~2);长×宽为6 mm×4 mm的c轴倾斜18°的LCMO热流传感器,响应灵敏度为4μV/(k W·m~2),响应时间可达亚μs量级。
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