王超杰，王夢(mèng)楠，閻 濤，袁廣民

（1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073；2.空間物理重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100076；3.航天科技集團(tuán)公司四院四十四所技術(shù)研發(fā)中心，西安710025；4.空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)），西安710072）

超高溫傳感器用感溫材料與結(jié)構(gòu)特性分析

王超杰1，2，王夢(mèng)楠3，閻 濤3，袁廣民4

（1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073；2.空間物理重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100076；3.航天科技集團(tuán)公司四院四十四所技術(shù)研發(fā)中心，西安710025；4.空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)），西安710072）

針對(duì)現(xiàn)有藍(lán)寶石光纖溫度傳感器測(cè)溫上限難以突破1 700℃的瓶頸問(wèn)題，本文分別從傳感器測(cè)溫結(jié)構(gòu)和感溫材料兩方面進(jìn)行了分析改進(jìn)，以滿足對(duì)2 000～2 500℃超高溫的測(cè)量需求.提出了一種接觸-非接觸相結(jié)合的新型傳感器測(cè)溫結(jié)構(gòu)，并結(jié)合非接觸式測(cè)溫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出了Plank黑體輻射溫度誤差補(bǔ)償公式，解決了非接觸結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測(cè)溫問(wèn)題.結(jié)合不同感溫材料特性分別對(duì)難熔金屬、陶瓷基復(fù)合材料和C/C復(fù)合材料的高溫性能進(jìn)行分析比較，包括材料強(qiáng)度、密度、抗氧化性、塑性、熔點(diǎn)等，篩選出適合作為超高溫傳感器的備選感溫材料.針對(duì)篩選出的感溫材料設(shè)計(jì)了抗熱震性試驗(yàn)和抗氧化燒蝕試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HfB2-SiC復(fù)合材料能夠滿足超高溫環(huán)境下對(duì)感溫材料物理特性的特殊需求.傳感器溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，采用接觸-非接觸式新結(jié)構(gòu)和HfB2-SiC感溫材料的新型光纖溫度傳感器可對(duì)2 500℃高溫進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到±1%.

光纖溫度傳感器；超高溫；接觸-非接觸；測(cè)溫結(jié)構(gòu)；感溫材料；陶瓷基復(fù)合材料

超高溫測(cè)量技術(shù)為飛行器在臨近空間及高空飛行時(shí)結(jié)構(gòu)體惡劣工作環(huán)境下的物理、結(jié)構(gòu)特性評(píng)估提供重要分析依據(jù)，為保證飛行安全與穩(wěn)定提供重要技術(shù)保障，在我國(guó)航空、航天技術(shù)高速發(fā)展的今天日益重要.惡劣工作環(huán)境的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為環(huán)境溫度更高（普遍達(dá)到2 000℃甚至達(dá)到2 500℃以上［1］）、氧化作用更強(qiáng)、強(qiáng)電磁干擾明顯以及強(qiáng)熱震環(huán)境等.如何使溫度傳感器同時(shí)具備抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)溫上限高、抗氧化、感溫結(jié)構(gòu)超高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，是目前急需解決的一個(gè)問(wèn)題.

基于黑體輻射測(cè)溫原理的藍(lán)寶石光纖溫度傳感器具有接觸測(cè)量、精度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn).其相對(duì)其他高溫測(cè)量手段，如熱電偶測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫等，高溫環(huán)境下抗氧化性強(qiáng)且不受電磁干擾，是當(dāng)今解決超高溫特種環(huán)境下航空、航天飛行器超高溫測(cè)量的重要手段［2-3］.然而，目前的藍(lán)寶石光纖溫度傳感器受自身結(jié)構(gòu)和材料的局限，其感溫元件——黑體感溫腔主要通過(guò)在藍(lán)寶石單晶光纖端部鍍覆燒結(jié)陶瓷薄層或?yàn)R射金屬薄膜的方式制備，傳感器長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，藍(lán)寶石光纖溫度與被測(cè)溫度相近，因此，傳感器溫度測(cè)量上限不能超過(guò)黑體腔材料和藍(lán)寶石光纖的穩(wěn)定工作溫度上限，現(xiàn)階段黑體腔材料以及藍(lán)寶石光纖耐溫較低，只能達(dá)到1 700℃左右［1］，嚴(yán)重制約了其在超高溫領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，無(wú)法滿足當(dāng)前的超高溫測(cè)量需求［4-5］.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新的超高溫藍(lán)寶石光纖傳感器，在傳感器測(cè)溫結(jié)構(gòu)和感溫材料方面采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)及特性分析.在此基礎(chǔ)上研制成功的超高溫光纖溫度傳感器在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了2 500℃以上超高溫的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量，為超高溫接觸式溫度測(cè)量提供了一種新的解決方法.

1 超高溫光纖溫度傳感器感溫原理及結(jié)構(gòu)分析

1.1 超高溫光纖溫度傳感器感溫原理

為解決傳統(tǒng)藍(lán)寶石光纖溫度傳感器受藍(lán)寶石光纖使用溫度的制約，本文在傳統(tǒng)接觸式藍(lán)寶石光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種接觸-非接觸相結(jié)合的測(cè)溫結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1（a）是一種典型的傳統(tǒng)接觸式藍(lán)寶石光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖.測(cè)溫時(shí)黑體感溫腔與被測(cè)溫度環(huán)境接觸并達(dá)到熱平衡，黑體感溫腔射岀的黑體輻射信號(hào)通過(guò)耐高溫藍(lán)寶石光纖傳輸至低溫環(huán)境，經(jīng)過(guò)耦合、濾光等處理后傳輸至光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并由信號(hào)處理模塊處理成對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)輸出.由于整個(gè)黑體腔熱容極小，且藍(lán)寶石光纖與黑體腔直接接觸，因此，測(cè)量過(guò)程中藍(lán)寶石光纖需要承受與被測(cè)溫度幾乎相同的溫度，在黑體腔材料可以靈活選擇的前提下，藍(lán)寶石光纖所能承受的最高工作溫度就決定了傳感器的溫度測(cè)量上限.

圖1 超高溫光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of fiber temperature sensor for ultrahigh temperature measurement

圖1（b）為接觸-非接觸式探頭結(jié)構(gòu)原理示意圖.該結(jié)構(gòu)溫度測(cè)量原理與傳統(tǒng)接觸式結(jié)構(gòu)相似，采用特種耐高溫材料制成獨(dú)立的黑體感溫腔，與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，將藍(lán)寶石光纖置于感溫腔外.這種結(jié)構(gòu)使得傳感器工作時(shí)，藍(lán)寶石光纖溫度低于被測(cè)介質(zhì)溫度，從而提高傳感器的測(cè)溫上限.

1.2 超高溫光纖溫度傳感器感溫結(jié)構(gòu)分析

圖2是接觸-非接觸式探頭結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器高溫測(cè)量120 s模擬仿真溫度分布云圖.仿真結(jié)果表明，在對(duì)2 500℃高溫介質(zhì)進(jìn)行接觸式測(cè)量時(shí)，黑體腔部分整體溫度均在2 500℃左右，能夠準(zhǔn)確反映被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)溫度；藍(lán)寶石光纖安裝于傳感器中段，此部分溫度約為1 700～1 800℃，略低于藍(lán)寶石光纖劣化溫度［6］，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)傳感器能夠在2 500℃高溫穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間工作保持整體結(jié)構(gòu)完整并正常反映被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)溫度.

圖2 接觸-非接觸式探頭結(jié)構(gòu)溫度分布圖Fig.2 Diagram of contact-non-contact probe structure temperature distribution

接觸-非接觸式探頭結(jié)構(gòu)能夠有效降低藍(lán)寶石光纖承受的溫度，但同時(shí)會(huì)造成黑體感溫腔在測(cè)溫時(shí)處于非等溫狀態(tài).由于藍(lán)寶石光纖溫度傳感器基于黑體輻射測(cè)溫原理，非等溫腔的輻射并不能等效成理想黑體輻射，因此，使用傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式計(jì)算腔體的單色輻射出射度必然會(huì)引入一個(gè)模型誤差，造成使用傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式計(jì)算出的溫度曲線與溫度基準(zhǔn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較大的偏差.為此，需對(duì)傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式（1）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，式（2）為經(jīng)補(bǔ)償修正后的溫度計(jì)算公式.

式中：T是基于傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式的計(jì)算溫度；V（λ0，T）為傳感器的輸出電壓；λ0為系統(tǒng)中窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)；C1和C2分別是第一、第二輻射系數(shù)；B（λ0）、A1、A2、A3的4個(gè)參數(shù)是多點(diǎn)標(biāo)定所得補(bǔ)償修正系數(shù)；Tc是修正后的溫度.

根據(jù)兩種算法得到的電壓采樣值-溫度曲線如圖3所示，圖中3條曲線分別為作為溫度基準(zhǔn)的點(diǎn)溫儀實(shí)測(cè)的溫度、傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式計(jì)算結(jié)果和補(bǔ)償修正后計(jì)算結(jié)果.從圖3可以看出，相比傳統(tǒng)Plank黑體輻射公式，補(bǔ)償修正后的算法測(cè)量誤差更小，更適合用于接觸-非接觸式結(jié)構(gòu)傳感器的標(biāo)定和溫度計(jì)算.

圖3 兩種算法得到的電壓-溫度曲線Fig.3 The voltage-temperature curves of two algorithms

2 超高溫光纖溫度傳感器感溫材料特性分析

在接觸-非接觸探頭結(jié)構(gòu)中，黑體感溫腔作為傳感器敏感元件，直接與被測(cè)溫度環(huán)境接觸，輸出與被測(cè)溫度相關(guān)的黑體輻射信號(hào)，對(duì)傳感器的測(cè)量精度、響應(yīng)速度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要影響.由于感溫腔工作過(guò)程中需要與惡劣環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間直接接觸，感溫腔除了應(yīng)具備良好的溫度敏感特性外，還應(yīng)具備對(duì)劇烈熱震、高溫含氧等惡劣環(huán)境的適應(yīng)性.

根據(jù)超高溫傳感器的工作原理和工作環(huán)境，感溫材料應(yīng)具備的性能見(jiàn)表1所示.其中高溫穩(wěn)定性和高溫抗氧化性是最重要的兩種特性.

表1 感溫材料性能要求說(shuō)明Table 1 Thermal material performance requirements

耐高溫材料的選取依據(jù)上表列出的材料性能要求，目前常用于2 000℃以上高溫環(huán)境的超高溫材料主要包括難熔金屬、陶瓷基復(fù)合材料以及C/C復(fù)合材料［7］.

2.1 難熔金屬

難熔金屬及其合金具有熔點(diǎn)高、耐高溫，以及良好的抗熱震性、塑性好等特點(diǎn)，表2所示為幾種可以達(dá)到超高溫材料使用溫度的難熔金屬［6］.

表2 幾種難熔金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和密度［6］Table 2 Melting point，boiling point，and density of several refractory metal materials

雖然，表2中前4種材料均表現(xiàn)了較高的熔點(diǎn)，但其材料抗氧化較差，如鎢 W、錸 Re在2 000℃時(shí)即發(fā)生氧化［7］.相對(duì)而言，銥的熔點(diǎn)較低為2 410℃，具備高溫下優(yōu)良的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性能，既滿足高熔點(diǎn)又具備很強(qiáng)抗氧化性.原因是銥在高溫下具有低氧滲透率，熔點(diǎn)下的蒸氣壓非常低，在高溫環(huán)境時(shí)抗氧化性仍很好，氧化揮發(fā)速率很低，其氧化速率比錸低3個(gè)數(shù)量級(jí)［8］.因此，銥合金初步符合超高溫環(huán)境下對(duì)感溫材料的特性要求.

2.2 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理性能，尤其是以硼化鉿（HfB2）、硼化鋯（ZrB2）為代表的超高溫硼化物，具有高熔點(diǎn)、高硬度以及高導(dǎo)熱率.

關(guān)于硼化物的抗氧化行為，研究表明，在氧化過(guò)程中，硼化物的表面會(huì)在約1 100℃下產(chǎn)生液態(tài)B2O3保護(hù)層，而B(niǎo)2O3在1 000℃以上就開(kāi)始快速蒸發(fā)，當(dāng)達(dá)到B2O3沸點(diǎn)（1 860℃）時(shí)，保護(hù)層會(huì)出現(xiàn)大空位和通道，使硼化物界面發(fā)生氧化.加入SiC可以顯著提高硼化物的抗氧化性能，在高溫時(shí)形成玻璃相的硅酸鹽來(lái)覆蓋材料的表層，具有良好的保護(hù)作用.如美國(guó)的NASA中心開(kāi)發(fā)了以HfB2和ZrB2為基體，添加少量SiC的復(fù)合材料，包括HfB2-SiC、ZrB2-SiC復(fù)合材料，經(jīng)測(cè)試材料的熔點(diǎn)均超過(guò) 3 000℃，并具備良好的抗氧化性能［9］.

研究人員對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了充分的測(cè)試.ZHANG等測(cè)試了空氣環(huán)境下ZrB2-SiC-G超高溫陶瓷材料拉伸強(qiáng)度，研究表明該材料在1 750℃下的拉伸強(qiáng)度為21.8 MPa［10］；NEUMAN等研究了室溫～2 300℃范圍內(nèi)ZrB2陶瓷彎曲強(qiáng)度與彈性模量隨溫度的變化規(guī)律［11］，并研究了高溫空氣條件下ZrB2/SiC材料的力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、模量和斷裂韌性，結(jié)果顯示在1 000～1 500℃范圍內(nèi)，力學(xué)性能呈線性降低趨勢(shì)，材料在1 200℃以上會(huì)存在氧化損傷［12］.此外，NEUMAN等還針對(duì)ZrB2/SiC/B4C陶瓷材料，研究了室溫～2 200℃內(nèi)其彎曲強(qiáng)度、模量和斷裂韌性隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)1 800℃時(shí)材料力學(xué)性能明顯降低，這主要取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)［13］；ORLOVSKAYA等測(cè)得ZrB2/SiC在室溫下的彎曲強(qiáng)度最大可達(dá)到674 MPa［14］.

近年來(lái)，隨著研究人員對(duì)陶瓷基復(fù)合材料增韌機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷提高，陶瓷基復(fù)合材料在劇烈溫度變化條件下的機(jī)械強(qiáng)度也有了較大的增強(qiáng)，更易于滿足抗熱震要求［15］；爆炸壓實(shí)等制備工藝的成熟進(jìn)一步提高了陶瓷基復(fù)合材料的致密度，進(jìn)而可提高材料韌性［16］；ASL［17-18］、LIN［19］等人的研究表明熱壓或燒結(jié)溫度、速度、壓力等會(huì)影響材料性能（強(qiáng)度、密度、韌性、抗熱沖擊性能）；優(yōu)化組分、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等措施也成為陶瓷復(fù)合材料增韌的主要途徑［20］.

因此，本文將HfB2-SiC，ZrB2-SiC復(fù)合材料作為傳感器感溫元件的備選材料.

2.3 C/C復(fù)合材料

C/C復(fù)合材料雖具備高溫下強(qiáng)度高、良好的燒蝕性能等特點(diǎn)，但在高溫下易氧化、熱導(dǎo)率低、不易加工［7］，故認(rèn)為不適合作為傳感器感溫材料.

綜上分析認(rèn)為，銥合金、ZrB2基復(fù)合材料以及HfB2基復(fù)合材料滿足既具備高溫穩(wěn)定性又具備較好的高溫抗氧化性，適合作為超高溫傳感器的備選感溫材料.

3 超高溫傳感器感溫材料特性試驗(yàn)

感溫材料特性試驗(yàn)從材料的特殊使用環(huán)境出發(fā)，本文分別設(shè)計(jì)了抗熱震性試驗(yàn)和抗氧化燒蝕試驗(yàn)，對(duì)銥合金、ZrB2基復(fù)合材料以及HfB2基復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試.按照傳感器實(shí)際結(jié)構(gòu)制備試驗(yàn)樣件，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)Modline 5R-3015型紅外測(cè)溫儀測(cè)量試驗(yàn)中樣件表面溫度，試驗(yàn)方法如下.

1）抗熱震性試驗(yàn)：劇烈熱震引起的感溫腔結(jié)構(gòu)破壞將會(huì)直接導(dǎo)致傳感器失效，故模擬傳感器實(shí)際應(yīng)用受到的溫度沖擊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)備選材料的抗熱震性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.采用等離子焰作為熱源，通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣、氮?dú)饬髁考半妷?，迅速調(diào)節(jié)熱源的熱流密度.試驗(yàn)時(shí)，首先將試樣加熱到2 200℃，而后迅速降低熱源的熱流密度，將試樣溫度降至800℃，待樣件冷卻后，迅速增大熱源的熱流密度，將試樣溫度升高至2 200℃，隨后再降低，共循環(huán)5次，最后試件在大氣環(huán)境自然冷卻，試驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)樣件結(jié)構(gòu)是否完整，有無(wú)開(kāi)裂或微裂紋跡象.

2）抗氧化燒蝕性能試驗(yàn)：材料的氧化將嚴(yán)重改變材料的發(fā)射率特性，導(dǎo)致傳感器不能準(zhǔn)確測(cè)溫，燒蝕則也會(huì)影響傳感器的結(jié)構(gòu)完整.參照標(biāo)準(zhǔn)“GJB 323A-1996燒蝕材料燒蝕試驗(yàn)方法”建立氧-乙炔燒蝕試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置.試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)試樣中心，使其對(duì)正氧-乙炔噴嘴位置.轉(zhuǎn)變方向點(diǎn)燃并調(diào)節(jié)氧-乙炔火焰.火焰調(diào)節(jié)好后迅速轉(zhuǎn)回，對(duì)準(zhǔn)樣件，樣件突然受到高溫燃?xì)饬鲊姶?，形成燒蝕環(huán)境，每次燒蝕時(shí)間10 min，試驗(yàn)后觀察樣件表面氧化狀況，打磨掉氧化層后測(cè)量樣件燒蝕量，評(píng)估材料的抗氧化燒蝕性能.試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)氧氣/乙炔流量，在不同火焰溫度、不同氣體流量下進(jìn)行測(cè)試，模擬傳感器實(shí)際使用中遇到的不同高溫氣流環(huán)境.

3.1 抗熱震性試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，最高溫度約為2 200℃，3種材料樣件無(wú)嚴(yán)重熔化現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)保持完好，試驗(yàn)過(guò)程照片如圖4所示.

試驗(yàn)后檢查樣件結(jié)構(gòu)是否完整，結(jié)果表明，5次溫度循環(huán)試驗(yàn)后，銥合金樣件外觀無(wú)明顯裂紋，僅有高溫?zé)g痕跡，結(jié)構(gòu)完整無(wú)損壞，如圖5（a）所示，說(shuō)明銥合金在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)具有良好的抗熱震性，這也是難熔金屬的特有性能優(yōu)點(diǎn).ZrB2-SiC復(fù)合材料樣件在第3次熱震循環(huán)時(shí)已出現(xiàn)裂紋跡象，試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)樣件縱向出現(xiàn)較明顯裂紋，且有部分脫落，如圖 5（b）所示，說(shuō)明ZrB2-SiC復(fù)合材料樣件經(jīng)受5次熱震后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生較大破壞.HfB2-SiC復(fù)合材料樣件在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯裂紋跡象，試驗(yàn)結(jié)束后整體結(jié)構(gòu)仍保持完好，無(wú)明顯裂紋，僅沿縱向有數(shù)條微裂紋跡象，如圖5（c）所示，說(shuō)明經(jīng)過(guò)5次溫度循環(huán)，樣件微觀結(jié)構(gòu)已開(kāi)始發(fā)生破壞，但整體結(jié)構(gòu)仍保持完整.

圖4 抗熱震試驗(yàn)Fig.4 Thermal shock test

圖5 抗熱震試驗(yàn)后樣件外表面形貌Fig.5 The samples′s surface morphology after thermal shock tests：（a）Iridium alloy；（b）ZrB2-SiC；（c）HfB2-SiC

3.2 抗氧化燒蝕性能試驗(yàn)

抗氧化燒蝕性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在1 500～1 700℃較低的溫度環(huán)境下，3種材料樣件氧化燒蝕較慢，試驗(yàn)結(jié)束后，樣件結(jié)構(gòu)整體完好，表面有白色氧化物生成，燒蝕量均小于0.1 mm.隨著試驗(yàn)溫度達(dá)到1 800℃以上，尤其是超過(guò)2 000℃后，以及氧氣流量的增加，3種樣件氧化狀況均有加劇，如表3所示.

表3 不同條件下3種材料樣件燒蝕量對(duì)比Table 3 Ablation volume comparison of three material samples under different conditions

上述結(jié)果表明：在1 700℃以下的試驗(yàn)中，3種材料均表現(xiàn)了較為良好的抗氧化性.隨著溫度達(dá)到1 800℃以上及含氧量的增加，3種材料的氧化狀況均有不同程度的加劇，其中HfB2-SiC復(fù)合材料的抗氧化性最好，ZrB2-SiC復(fù)合材料、銥合金材料較差.

綜上分析認(rèn)為，HfB2-SiC復(fù)合材料具備較好的抗熱震性能和抗氧化燒蝕性能，最接近實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求，且自身熔點(diǎn)在3 000℃以上，適合作為2 000℃以上超高溫光纖溫度傳感器的感溫元件材料.

3.3 傳感器超高溫測(cè)試

在上述試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，使用HfB2-SiC、ZrO2-SiC復(fù)合材料分別作為傳感器感溫材料和熱防護(hù)材料完成了超高溫光纖溫度傳感器原理樣機(jī)的研制，如圖6所示.試驗(yàn)測(cè)試表明該傳感器對(duì)2 500℃高溫介質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間接觸式測(cè)量并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量精度達(dá)到±1%，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示.

圖6 超高溫溫度傳感器原理樣機(jī)Fig.6 Principle prototype of ultra-high temperature sensor

表4 超高溫溫度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Test data of Ultra-high temperature sensor

4 結(jié) 論

1）提出了一種新型的藍(lán)寶石光纖溫度傳感器感溫結(jié)構(gòu)，對(duì)接觸-非接觸探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特性分析，結(jié)果表明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳感器測(cè)溫上限的提升.

2）通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)傳感器感溫材料特性進(jìn)行了性能比較，試驗(yàn)結(jié)果表明HfB2-SiC復(fù)合材料符合2 000℃ 以上超高溫光纖溫度傳感器的感溫元件材料的需求.

3）研制了新型超高溫光纖溫度傳感器，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了2 500℃以上超高溫長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，為超高溫接觸式溫度測(cè)量提供了一種新途徑.

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（編輯 呂雪梅）

Study on the temperature sensitive material and structure of a new ultrahigh temperature optical fiber temperature sensor

WANG Chaojie1，2，WANG Mengnan3，YAN Tao3，YUAN Guangmin4
（1.College of Aerospace Science And Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.National Key Laboratory of Science and Technology on Nearspace Vehicle Technology，Beijing 10076，China；3.R&D Center，The 44th Institute of CASC，Xi′an 710025，China；4.Ministry of Education Key Laboratory of Micro and Nano Systems for Aerospace（Northwestern Polytechnical University），Xi′an 710072，China）

In order to overcome the measurable temperature limitation，about 1 700℃，of existing sapphire fiber temperature sensors，the improvements in the temperature-sensitive material and structure for the sensors are presented to obtain the measurement of ultrahigh temperature range of 2 000～2 500℃.On one hand，a new sensor design with a contact-noncontact structure is proposed.According to the blackbody radiation based temperature measuring theory，an error compensation for Plank formula is established to accurately measure the temperature of the noncontact structure.On the other hand，material properties including strength，density，oxidation resistance，plasticity，melting point，etc and ultrahigh temperature heat responses of the refractory metal are analyzed.The thermal shock resistance test and oxidation resistance test results demonstrate that HfB2-SiC can fully meet the requirement of ultrahigh temperature measurement.Finally，the new sensor can perform longtime steady measurement at the temperature of 2 500℃ with the precision of±1%.

fiber temperature sensors；ultrahigh temperature；temperature measurement structure；temperature sensitive material；ceramic matrix composite

O522+.1

A

1005-0299（2016）05-0065-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20160511

2016-02-28.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（3102015ZY08，3102015CS05006）；111引智基地項(xiàng)目（B13044）.

王超杰（1972—），男，高級(jí)工程師.

袁廣民，E-mail：yuangm@nwpu.edu.cn.