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Materials 清华大学航天航空学院:用于同时测量各向异性热流的高时空分辨率温度传感器 精选

已有 3853 次阅读 2022-9-7 14:38 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

通讯作者

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王海东 副教授

清华大学

现任清华大学航天航空学院副教授、博士生导师。主要从事微纳尺度传热学、低维纳米材料热物性测量、纳米热功能器件研发和先进纳米加工等方面的研究工作。曾获 2013 年亚洲热物性大会最佳论文奖、2017 年亚洲热科学和工程联合会青年科学家奖、2018 年日本传热学会学术奖。曾主持日本学术振兴会 A 类青年基金,参与多项国家自然科学基金重点项目,在Nature Communications、Nanotechnology、Carbon 等领域内知名期刊发表 SCI 论文 30 余篇。


第一作者

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罗旭雯 硕士研究生

清华大学

就读于清华大学航天航空学院工程热物理所,主要研究方向为低维纳米材料热物性测量。


文章导读

在马赫数很高时,高超声速飞行器表面复杂的流动情况会引起强烈的局部效应。高频振荡、局部高温、化学腐蚀和高温变形等情况将大大缩短高超声速飞行器的使用寿命。因此,准确预测飞行器的复杂气动加热特性对确保飞行器的安全至关重要。来自清华大学航天航空学院的王海东副教授及其团队在 Materials 期刊发表的文章,设计了一种能够同时测量面内和法向热流的高时空分辨率温度传感器 (图 1),其具有微秒级的特征时间和微米级的特征尺寸,适用于检测高超声速飞行器表面的复杂热流和温度响应。由于其极高的灵敏度和热测量精度,可用于准确监测瞬态温度变化,实时反馈飞行器表面的热环境参数,保障飞行器安全可靠运行。

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图 1. 传感器示意图。(a) 传感器的三维示意图;(b) 铂金沉积的三维示意图。


研究过程与结果

◉ 器件制备

本文以 99.9999% 的高纯铂为靶源,采用高能电子束激发物理气相沉积技术制备铂薄膜作为测温元件 (图 2)。通过实验测试,薄膜厚度被设定为 100 nm,最小线宽被设定为 5 μm,单个热感单元的尺寸被设定为 100 μm × 100 μm。传感器的空间分辨率由铂金薄膜传感单元的最小尺寸决定,因此空间分辨率可以达到微米级。铂金薄膜沉积在致密的氮化铝陶瓷片上,氮化铝陶瓷材料具有良好的机械强度、高导热系数和低热膨胀系数等优点,可以保证铂金薄膜传感器在强空气动力加热条件下不被损坏,满足热流传感器长期稳定在线运行的要求。

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图 2. 热流传感器主要部件。


◉ 热流测量

在对传感器进行标定后,将其用于面内热流测量 (图 3)。为检测传感器面向测量温度的能力,取相邻 Pt 测温单元对其进行面向温度响应的测量,实验结果表明面向热传导现象十分明显,测温单元对温度变化的跟随性、灵敏性较好,适合作为复杂气动条件中局部热流的测温单元。由于铂金传感器单元仅有 100 nm 厚度,最小 5 μm 线宽,传感器自身热容量极小,响应时间在微秒量级,从而保证不同位置测温单元之间没有时间滞后,具有良好的同步性。通过 COMSOL 对面向响应测温情况的仿真,可计算得到白金热导率和氮化铝热导率,以此可用于计算热流大小。通过将两个传感器主要部件背对贴合,便能够测量法向热流。在该组实验中使用导热胶将两片主要部件粘连,使其保持直立状态进行实验。将两组相对的白金样品用银胶及铜丝与真空腔连接进行实验,也能够验证该传感器的测温灵敏度。

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图 3. 法向热流测量实验台。


◉ 气动加热实验

本文选用乙炔高温火焰 (图 4)来模拟气动加热效应,乙炔燃烧温度可以达到 3200 ℃,和超高声速飞行器气动热效应作用相当。为模拟超高声速飞行器的飞行气动条件,特别设计了乙炔火焰平台,通过搭建高温火焰实验台改变传感器的位置,测量温度的空间分布情况,观察测温单元的灵敏度和跟随性。

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图 4.  乙炔火焰测试平台的照片 (1-X 轴定位尺,2-Y 轴定位尺,3-乙炔气瓶)。


研究总结

本文通过物理气相沉积法制备了一种可同时测量平面内和平面外热流的高时空分辨率纳米薄膜温度传感器。它的一些特性和优势可以同时满足高超声速飞行器对温度测量的局部检测、高时空精度和长期稳定性的要求。通过排列大量的传感单元,可以在一个固定点上检测飞行器表面的温度和热流。由于传感器的特征尺寸极小,铂金纳米薄膜传感器的理论温度响应时间为亚微秒级。特殊设计的三层氮化铝陶瓷片结构不仅实现了各向异性的热流测量功能,而且使热传感单元免受高温电化学腐蚀和外部气流温差引起的大面积变形。通过实验验证,该传感器的测温精度可以达到 0.01 K,热流密度的分辨率优于 500 W/m2,热流测量的不确定性约为 3%。通过高温火焰气动加热实验验证了该新型传感器在热测量中的高灵敏度,证实了该传感器在高超声速飞行器热测量中的实际应用。

该传感器适用于进行分布式表面温度测量,随着 MEMS 技术的进步,传感器的尺寸可以不断缩小,微纳尺度器件的结构稳定性也可以不断提高,使该传感器能够在高温和高热流环境中的热测量发挥更大的作用。


原文出自 Materials 期刊

Luo, X.; Wang, H. A High Temporal-Spatial Resolution Temperature Sensor for Simultaneous Measurement of Anisotropic Heat Flow. Materials 202215, 5385.


Materials 期刊介绍

主编:Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果,包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等,以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor:3.748(Q1*)

2021 CiteScore:4.7

Time to First Decision:15.3 Days

Time to Publication:38 Days

* Q1 (18/79) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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1 王安良

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