肖友文，謝貴久，何 峰，張建國(guó)，袁云華，宋祖殷

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111;2.空軍駐湖南地區(qū)軍代室，長(zhǎng)沙410110)

1 引言

高超聲速飛行器在高速飛行過(guò)程中，其所在流場(chǎng)的氣體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和激波運(yùn)動(dòng)等一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)也是飛行器工程實(shí)踐的基礎(chǔ)［1-2］。

熱流傳感器可用于飛機(jī)殼體在高超聲速飛行狀態(tài)與空氣磨擦所產(chǎn)生的熱量測(cè)量，以及熱流量在不同機(jī)殼厚度層的傳遞狀況［3］，還可擴(kuò)展用于超聲速飛行器殼體材料的熱力學(xué)分析，尤其是在高速風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)中，需要對(duì)飛行器上的每個(gè)點(diǎn)在不同馬赫數(shù)下和不同攻角狀態(tài)下的受熱情況進(jìn)行測(cè)試分析，準(zhǔn)確計(jì)算出材料在受熱狀態(tài)下的力學(xué)性能，以便選用合適材料，并采取防熱措施，保障飛行器安全可靠的高速飛行［4］。

因此，如何準(zhǔn)確、快速測(cè)量出表面熱流量，是設(shè)計(jì)可靠防熱系統(tǒng)的先決條件。長(zhǎng)期以來(lái)，通過(guò)對(duì)溫度變化檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流量傳遞的測(cè)量。薄膜高溫?zé)崃鱾鞲衅魇且环N用于測(cè)量非穩(wěn)態(tài)熱流的傳感器，以其反應(yīng)時(shí)間短為主要特點(diǎn)，薄膜熱流傳感器可以用于高超聲速飛行器短時(shí)間的高溫?zé)崃鳒y(cè)量實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足瞬態(tài)測(cè)量要求。

2 原理

薄膜熱流傳感器的測(cè)量原理基于傅立葉定律［5］，當(dāng)熱流通過(guò)熱流傳感器探頭時(shí)，在探頭的熱障層上產(chǎn)生溫度梯度△T，即厚陶瓷熱障層(X2)溫度T2，薄陶瓷熱障層(X1)溫度T1，根據(jù)傅立葉定律算就可以計(jì)出通過(guò)熱流傳感器探頭的熱流密度(如圖1所示)。由于熱流矢量方向是與等溫面垂直的，則熱流值可以表示為:

q:熱流密度(W/m2);

dQ:通過(guò)等溫面上微小面積 dS流過(guò)的熱量(W);

λ:材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m2·K));

△T:兩等溫面的溫差;

△X:厚薄熱障層厚度差。

由公式可知，λ為陶瓷熱障礙層材料的導(dǎo)熱系數(shù)(常量)，X1、X2分別為熱障層厚度(定值，通過(guò)工藝保證)，所以熱流量q直接與△T(熱電偶電動(dòng)勢(shì)E)成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

q:熱流密度(W/m2)

C:熱流傳感器測(cè)量系數(shù)(W/(m2·mV))

E:熱電動(dòng)勢(shì)(mV)

圖1 熱流傳感器基本原理圖

3 試驗(yàn)制備過(guò)程

薄膜高溫?zé)崃鱾鞲衅餍酒?，選用Al2O3陶瓷作為基體材料;通過(guò)聚焦離子束濺射鍍膜技術(shù)，采用剝離工藝制備出PtRh13和Pt熱電偶薄膜;在熱電偶薄膜的冷端和熱端離子束濺射不同厚度的SiO2熱障膜，濕法刻蝕得到所需的熱障層圖形;最后通過(guò)對(duì)應(yīng)的鉑銠和鉑絲引線，完成高溫釉料封接。其具體工藝流程圖如圖2所示。最終制備芯片如圖3所示。

4 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了薄膜熱流傳感器的工作溫度及不同基底材料對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。采用定制的高溫電加熱爐絲管，調(diào)節(jié)輸出功率，產(chǎn)生不同的熱流與溫度，將傳感器置于管口，熱流傳感器表面溫度采用紅外溫度傳感器測(cè)量，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)變化，檢測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可達(dá)1ms。

圖2 薄膜熱流傳感器工藝流程圖

圖3 熱流傳感器外形圖

4.1 工作溫度對(duì)熱流傳感器使用影響

調(diào)節(jié)電加熱管輸出功率，測(cè)量熱流傳感器表面溫度，并在各溫度段保持工作3min，實(shí)驗(yàn)比較了600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃工作溫度下熱流傳感器的性能變化情況。工作溫度800℃時(shí)，傳感器表面形貌基本無(wú)變化，恢復(fù)常溫下測(cè)量樣品電阻正常;溫度900℃下樣品熱障層出現(xiàn)部分裂紋，恢復(fù)常溫，測(cè)量樣品電阻正常;溫度1000℃工作3min后，恢復(fù)到常溫，樣品表面SiO2層完全龜裂及脫落，但樣品電阻測(cè)試無(wú)變化。圖4為傳感器在不同工作溫度后薄膜熱電偶層的SEM圖，從圖中可以看出，高溫1000℃工作后的熱流傳感器薄膜層變黑，裂紋增多。

工作溫度對(duì)熱流傳感器的影響主要體現(xiàn)在對(duì)熱障層及熱電偶薄膜材料的影響，熱障層SiO2薄膜與陶瓷基底材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，溫度過(guò)高時(shí)，SiO2層發(fā)生龜裂;實(shí)驗(yàn)測(cè)試，薄膜熱電偶的性能變化不大，雖然金屬薄膜與陶瓷基底的熱膨脹系數(shù)相差較大，但由于膜層較薄，金屬延展性比較好，與陶瓷基底的粘附性比較好，膜層性能變化較小，無(wú)斷裂現(xiàn)象。

因此，熱流傳感器在陶瓷基底上采用SiO2材料作為熱障層，溫度在900℃下能正常工作，但超過(guò)該溫度，SiO2材料與基底的附著力下降，出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，但熱敏層性能變化不大，仍可繼續(xù)工作。

圖4 不同工作溫度下熱流傳感器樣品表面形貌圖

4.2 基底材料對(duì)熱流測(cè)量影響

高溫薄膜熱流傳感器主要應(yīng)用于工業(yè)或航天領(lǐng)域中。在使用過(guò)程中，會(huì)應(yīng)用于各種各樣的環(huán)境或用于測(cè)量不同物體的散熱情況，金屬是最常見(jiàn)的測(cè)量對(duì)象。所以，實(shí)驗(yàn)比較了不同金屬基底材料(銅，鋁，1Cr18Ni9Ti不銹鋼)對(duì)熱流傳感器測(cè)量誤差的影響。三種金屬材料的熱參數(shù)性能如表1所示。

試驗(yàn)將熱流傳感器緊密夾接在三種不同金屬材料上，固定加熱爐管溫度，比較三種材料基底材料上的熱流傳感器信號(hào)輸出特性。圖5為在不同基底材料上熱流傳感器的輸出特性圖。

圖5 不同基底材料對(duì)熱流測(cè)量影響

從圖5中可以看出不同基底材料對(duì)熱流傳感器穩(wěn)態(tài)輸出基本沒(méi)有差別，不過(guò)到達(dá)測(cè)量平衡點(diǎn)的時(shí)間有差異，三者之間銅基底響應(yīng)時(shí)間最快，其次為鋁，最慢為不銹鋼材料。在銅基底上熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間t0.5為0.1s，而不銹鋼基底t0.5為0.15s。從表1中可以看出，不銹鋼基底材料的導(dǎo)熱系數(shù)為16.27W/m2·K，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為387.6W/m2·K，導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，熱量傳導(dǎo)的更快，因此，響應(yīng)時(shí)間更快。此外，在高溫條件下的熱流測(cè)試，基底材料的密度、比熱等因素對(duì)熱流測(cè)量影響較小，達(dá)到平衡后的熱流測(cè)量結(jié)果基本相同。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)離子束濺射鍍膜工藝，成功制備了薄膜熱流傳感器樣件，測(cè)試結(jié)果表明:薄膜熱流傳感器最高工作溫度可達(dá)900℃。熱響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.1s，可以滿(mǎn)足目前諸多領(lǐng)域?qū)崃鳒y(cè)試的快速響應(yīng)要求。

實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫瞬態(tài)熱流檢測(cè)需要。目前由于熱流標(biāo)定裝置還存在不少問(wèn)題，測(cè)量精度有待提高。下一步的主要研究工作是改進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以達(dá)到優(yōu)化測(cè)量方法的目的，提高測(cè)量精度。如何增強(qiáng)膜層致密性，提高材料高溫特性，保障熱障層及熱敏材料與基底材料的熱膨脹匹配性，也是后期工作研究的重點(diǎn)。

［1］ 徐多，谷笳華，吳松，等.柔性基底瞬態(tài)熱流率測(cè)量傳感器的研制及其應(yīng)用［J］.科學(xué)通報(bào)，2009，54(4):414-419.

［2］ John D.Wrbanek，Gustave C.Fralick，Lisa C.Martin，et al.A Thin Film Multifunction Sensor for Harsh Environments［C］.NASA AIAA-2001-3315.

［3］ Kenneth G，Kreider，F(xiàn)rank DiMeo.Platinum/palladium thin-film thermocouples for temperature measurements on silicon wafers［J］.Sensors and Actuators A:Physical，1998，69(1):46-52.

［4］ 張扣立，樂(lè)川，羅義成，等.Φ2m激波風(fēng)洞高超聲速飛行器氣動(dòng)熱測(cè)量技術(shù)研究［C］.空氣動(dòng)力測(cè)控技術(shù)五屆四次測(cè)控學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2005(7):418-421.

［5］ Masahiko Emi，Yasuko Suzuki，Yuichi Yamada，et al.Development of thin film thermocouple for measurement of instantaneous heat flux flowing into cast iron combustion chamber wall［J］.Transaction of Society of Automotive Engineers of Japan，2002，33(3):61-66.