高温陶瓷薄膜热流传感器动态响应有限元分析

航空、航天等领域的高速发展对精密热流测量技术提出了更严苛的挑战。ITO/In_(2)O_(3)陶瓷材料相比贵金属材料有着更高的塞贝克系数,并拥有低密度和优异的高温力学性能。基于有限元仿真方法,建立了ITO/In_(2)O_(3)热电堆型薄膜热流传感器热电学仿真模型,设计了2种薄膜热流传感器结构,综合分析了热电堆在不同的热阻层分布、热阻层厚度和热流密度下的传热性能和输出动态响应变化,提出了ITO/In_(2)O_(3)薄膜热流传感器的优化设计方案。

高温MEMS薄膜热流传感器研究进展

对可用于高温环境的MEMS薄膜热流传感器(TFHFS)的测量原理、结构设计、材料成分以及制造技术进行了简单阐述,分别介绍了半无限几何、热阻式、热电堆和横向热电效应型TFHFS的结构特点和应用优势。归纳讨论了国内外科研团队研制的各种TFHFS的量热法、传感方式、结构、材料以及测量模式,按照热敏材料分为金属和合金型、陶瓷和新型聚合物衍生陶瓷型两类,重点关注TFHFS的高温稳定性、响应时间、灵敏度等性能。最后,总结了目前TFHFS面临的技术难题和发展趋势,可为应用于更严酷环境的高温薄膜热流测量技术提供参考。

基于有限元模拟的薄膜热流计冲击振动分析

实现发动机热端部件热流的精准监测对于发动机的冷却设计和可靠性提高具有重要意义,而薄膜热流计具有结构简单、不影响被测件气动外形以及对流场干扰小等特点。针对航空发动机在运行时产生的高振动及高冲击载荷下的薄膜热流计结构可靠性问题,采用有限元方法,建立薄膜热流计的有限元模型,分析了冲击以及随机振动对热流计结构可靠性的影响,并且提出了优化建议。优化后的热流计的最大位移及最大应力都明显减少,结构的可靠性明显提升,冲击振动测试以及划痕测试的结果也验证了薄膜热流计结构的合理性。

薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究

本文首先通过磁控溅射技术在单晶Si和Al_(2)O_(3)陶瓷衬底上分别依次沉积厚度为600 nm的Cu和Cu55Ni45薄膜,然后使用微加工技术在10 mm×10 mm的衬底区域内制备了200对串联的热电偶组成薄膜热电堆结构,最后采用反应溅射联合硬掩膜沉积了不同厚度的氧化铝热阻层,使串联的热电偶分别产生冷端和热端。根据Seebeck效应,在热流的作用下薄膜热电堆冷热两端的温差使传感器输出热电信号,实现对热流密度的测量。通过对薄膜热电堆的表征与标定,结果表明:沉积在Si衬底与Al_(2)O_(3)陶瓷衬底上的Cu/Cu55Ni45热电堆中,Cu膜粗糙度分别为20和60 nm,Cu55Ni45膜粗糙度分别为15和20 nm,电阻分别为38.2Ω和2.83 kΩ,灵敏度分别为0.06945和0.02697 mV/(kW·m^(-2))。具有不同表面粗糙度的单晶Si衬底与Al_(2)O_(3)陶瓷衬底会影响在其表面沉积的Cu/Cu55Ni45热电堆表面粗糙度,进而导致薄膜热电堆产生电阻大小差异,此外,Cu/Cu55Ni45热流传感器的输出热电势与热流密度呈现良好的线性关系。

An integral heat flux sensor with high spatial and temporal resolutions

To measure heat flux on the sharp leading edge and other surface with very small curvature radius in the wind tunnel, Hong-Ru Yu proposed a novel design of integral type heat flux sensor. Compared with the traditional heat flux sensor, the integral type heat flux sensor improved spatial resolution up to an order of magnitude, and the size of the sensing elements has been minimized to 0.1 mm successfully, which satisfied the heat flux measurement requirements at R0.5 mm pointed cone stagnation point. A constantan film was used as the contact layer of the integral heat flux sensor, which was prepared by electron beam coevaporation method. The influence of sensor structure on the accuracy of measurement was analyzed using numerical calculation. The measurement results in shock wave wind tunnel indicated that the response frequency was about100 kHz and the repeatability error was less than 10 %.

微型薄膜瞬态热流计的研究与开发

为满足燃料电池内微小空间内瞬变大热流的测量要求,利用薄膜技术,制作了热阻式微型薄膜瞬态热流计测头.该测头在厚度为0.05 mm的SiO2基片上蒸镀薄膜热电偶,测量厚度为1μm的SiO2热阻层两侧温差,从而得出瞬变热流值.同时,利用自行开发的标定系统对微型薄膜瞬态热流计测头进行了标定和响应测试,并对标定过程中的误差进行了细致的分析.对比得出,开发的热流计测头在响应时间和测头尺寸上,能满足微小空间内瞬态热流的测量需求.

一种薄膜热电堆热流传感器灵敏度系数的实验研究

为应对长时间、高频响、高热流密度条件下的热流密度测试要求,通过热沉体设计发展了一种新型热阻式薄膜热电堆热流传感器,并利用对比标定的方法、采用辐射标定方式确定各个此类型传感器的灵敏度系数。标定实验数据表明:该类型热流传感器的灵敏度系数与感应面温度相关,且在高于一定温度之上校正关系式不同于以往的线性关系而呈现出二次非线性关系。通过分析可知:呈现出二次非线性校正关系式的原因主要是依赖于温度的热阻层导热系数以及薄膜热电偶Seebeck系数。实验数据以及分析结果为该类型热流传感器的标定和优化设计提供了参考,同时确保了该类型热流传感器在使用过程中获得准确、可靠的热流测试数据。

新型高温薄膜热流传感器的研制

航天飞行器在返回地球大气层时外表面会产生兆瓦级的热流,瞬时温升可达1 800℃,为了保证飞行器的稳定安全运行,准确实时测量飞行器热防护系统表面热流具有非常迫切和重要的意义。针对高温热流检测的技术难题,提出了一种引线与基底一体化的新型热流传感器结构。结合陶瓷烧结静压成型和磁控溅射技术,通过在嵌入PtRh6引线的99氧化铝陶瓷基底端面依次沉积PtRh30-PtRh6热电堆薄膜、Al_(2)O_(3)薄膜、ZrO_(2)薄膜,研制了一款新型高温薄膜热流传感器,并对热流传感器进行了静态、动态性能、耐高温及重复性测试。结果表明,所研制的传感器灵敏度可达0.01μV/(W/m^(2))以上,传感器动态响应时间为3.97 s,对传感器进行1200℃高温实验,结果显示传感器经历高温前后输出信号无明显变化,传感器最大重复性误差为2.38%。所研制的高温薄膜热流传感器可为高温热流测量和热防护系统优化提供科学依据。

薄膜高温热流测量技术研究

薄膜热流传感器具有响应时间快,体积小等优势,可用于航空、航天等领域高速飞行器表面短时间的高温热流瞬态测量。热流传感器原理基于不同热障层薄膜下薄膜热电偶温度变化量的大小,通过离子束溅射镀膜工艺成功制备快速响应薄膜高温热流传感器。试验结果表明:该传感器热响应时间可达0.1s,温度可达900℃。

基于有限元模拟的薄膜热流计结构设计及优化

精确的热流测量对航空航天领域发动机设计及使用过程至关重要。薄膜热流计以其体积小、热容量小、干扰小、不破坏部件表面气流等显著优势,成为发动机热端部件表面热流测量的新方法。针对传统工程经验设计薄膜热流计精确度不高且迭代耗时长的缺点,基于有限元仿真模拟方法,建立了一种薄膜热流计有限元分析模型,综合分析了热流密度、热阻层厚度、热电堆厚度等因素对热流计冷热结点温度梯度的影响,提出薄膜热流计优化思路。分析结果表明,优化后的薄膜热流计具有更出色的热学性能与电学性能。

典型高温薄膜传感器的研究进展

随着航空发动机、燃气轮机、内燃机、石油化工设备等的设计、运行要求不断提高,对典型高温薄膜传感器如高温薄膜应变计、高温薄膜温度计、高温薄膜热流量计的需求越来越迫切。文中介绍了高温薄膜应变计、高温薄膜温度计、高温薄膜热流量计以及多功能集成高温薄膜传感器等典型高温薄膜传感器的研究现状,分析了它们在敏感材料、材料体系、制造工艺和信号传输方面存在的主要问题,可为应用于更严酷环境的高温薄膜传感器的技术研究提供参考。

被动式直接甲醇燃料电池内部温度和热通量的同步在线测量

为了深入研究燃料电池内部传热传质之间的关系,以自制的薄膜传感器为测量单元,实现了燃料电池内部温度和热通量的同步在线测量。实验结果表明自制的薄膜传感器可以测量膜电极表面的瞬态变化,且传感器对电池性能的影响较小;同步测量的数据显示,放电过程中温度的动态响应要迟于热流的动态响应,由于膜电极热导率的变化以及甲醇窜流的影响,相对于温度的阶跃变化,热通量呈现持续变化的趋势。

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中,高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性,提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法,搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置,并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程,可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点,其加热方式为瞬态加热,能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境,可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。

基于热电堆的新型高温薄膜热流传感器的研制

精确的热流测量对航空发动机设计至关重要,实时监测和获取发动机涡轮叶片表面精确的热流分布可以为航空发动机热端部件设计提供依据,也可以进行状态监测和故障诊断。薄膜热流传感器具有体积小、响应速度快、对工作环境的流动干扰小等优点。然而,目前能够应用于高温高热流环境中测量的薄膜热流传感器在灵敏度方面仍然存在较大的局限性。设计和制造了基于铂铑热电堆的新型高温薄膜热流传感器。该传感器由Pt/Pt-13Rh薄膜热电堆、底层SiO_(2)/Al_(2)O_(3)热阻层、顶层Al_(2)O_(3)保护层组成,底层SiO_(2)/Al_(2)O_(3)热阻层位于Al_(2)O_(3)陶瓷基底和热电堆之间。传感器分别在0~110 kW/m^(2)的热流和1 000℃的温度下进行了测试。测试结果显示,传感器的输出与施加的热流表现出良好的线性关系,灵敏度为8.04×10^(-6)V/(kW/m^(2)),实验数据与仿真结果相近。具有Al_(2)O_(3)保护层的传感器在1 000℃中保温3 h后电阻、灵敏度及响应特性基本上不受影响。设计的新型高温薄膜热流传感器具有较高的灵敏度和可靠性,将为高温环境中的热流测量提供一种新方法。

基于薄膜热电堆的新型高温瞬态热流密度传感器的研制

目前针对国内薄膜瞬态热流传感器一致性较差、制备工艺不成熟等问题,提出了一种基于光刻工艺和离子束溅射镀膜工艺的制备方法,200对T型金属薄膜热电偶沉积在10mm×10mm的水冷块上,测量1μm的氧化铝热阻层温差,从而得到瞬态热流密度值。对新型高温瞬态热流密度传感器进行比对法标定,一致性误差为0.211%,即工艺的一致性约为99.79%。实验表明,研制的新型高温瞬态热流密度传感器的一致性好,制备工艺具备良好重复性和可移植性,能够满足高温瞬态热流检测需要,为热流传感器的推广应用及标准化、批量化生产提供了良好的技术支撑。

复合材料结构表面薄膜热流传感器传热分析及性能优化

薄膜热流传感器的性能与待测结构的物理和几何特性密切相关。基于一维传热近似和有限元分析,本文系统地研究了位于C/SiC复合材料平板结构表面、厚度小于100μm的薄膜热流传感器在热流作用下的热响应规律。计算发现传感器与C/SiC复合材料结构界面的高效热交换使瞬态响应时间达到毫秒级;瞬态响应时间正比于热阻层厚度,与热流的大小无关;当给定热电系数,传感器灵敏度取决于冷热端温度差,而后者随着热阻层厚度的增加而线性增加,随着基底厚度的增加而减小;相较于使用温度差的收敛值,利用冷热端温度差的响应峰值与热流载荷间关系,有利于提高传感器的灵敏度和响应速度。本文结果可以指导高性能薄膜热流传感器的优化设计。

一体式再生燃料电池温度和热流密度非原位同步测量

一体式再生燃料电池的热流密度和温度分布的研究对电池热管理具有重要的意义。本文将自制的薄膜传感器植入一体式再生燃料电池中,进行非原位实验研究。在给定不同气体预热温度下,测量了一体式再生燃料电池内部热流密度和局部温度,并根据已得到的温度和热流密度计算出局部表面传热系数。结果表明,在不同的气体预热温度下,流道内气体的温度和气体扩散层表面的温差维持在3℃左右。气体扩散层表面的热流密度整体呈现出下降的趋势。靠近加热棒处的温度最高,但热流密度最低。相同的气体预热温度下,流道内气体和气体扩散层表面的温差对换热量的影响要大于温度梯度的影响;气体预热温度的上升对表面传热系数h的影响不大。30℃时,表面传热系数h值在450~750 W/(m2·K)之间。40℃时,表面传热系数h在450~650 W/(m2·K)之间。

大量程薄膜热流传感器敏感元件设计

设计一种新型瞬态大量程薄膜热流传感器敏感元件,可用于超高速飞行器气动热流的测量,敏感元件的测量量程高达5MW/m2,理论响应时间达到4ms。从测量原理、仿真分析和试验验证三个方面对敏感元件进行研究。综合仿真和试验结果,敏感元件性能良好,能够满足飞行器气动热流测量的需求。

PEMFC阳极扩散层表面温度和热流密度联测

质子交换膜燃料电池内部温度及热流密度对电池性能和寿命等有重要影响。为实时监测电池内部的温度和热流密度,本文利用真空蒸发镀膜技术自制了薄膜传感器,并将传感器置于质子交换膜燃料电池阳极侧,同步在线测量了燃料电池在不同气体流量下温度及热流密度随电流密度变化规律。结果表明,燃料电池运行过程中,内部温度和热流密度随电流密度增大而升高,高电流密度工作时温升更明显。电流密度较小时,加热棒对电池内部温度影响显著。随着电流密度增加,电化学反应产热作为主要热源,对电池内部温度影响逐渐占据主导作用。