基于MEMS技術(shù)的高溫絕緣層制備方法的研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對發(fā)動機上一些關(guān)鍵參數(shù)的測量也提出了更苛刻的要求。航空發(fā)動機是在高溫下運行的，因此在高溫條件下監(jiān)測發(fā)動機運行中的狀態(tài)對于確保安全性和可靠性至關(guān)重要。薄膜高溫傳感器憑借其體積小、響應快、干擾小等優(yōu)點逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點，航空發(fā)動機渦輪葉片一般由金屬材料構(gòu)成，若要實現(xiàn)薄膜溫度傳感器、高溫應變傳感器等一系列高溫傳感器與發(fā)動機葉片的功能結(jié)構(gòu)一體化，在薄膜傳感器和金屬基底之間必須存在一層性能良好的絕緣層，才能使薄膜

2、傳感器在高溫下正常工作，因此制備絕緣性能良好的高溫絕緣層成為薄膜傳感器研制過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　在高溫合金基底上制備絕緣性能良好的高溫絕緣層目前是國內(nèi)外研究機構(gòu)共同的難題，能夠兼容各種獨特功能材料集成制造的非硅MEMS技術(shù)為解決上述難題提供了嶄新技術(shù)途徑。
　　本論文研究比較了兩種制備方法，一種是NiCoCrAlY過渡層熱氧化+濺射氧化鋁的薄膜絕緣層制備方法，另一種是基于MEMS微結(jié)構(gòu)結(jié)合力強化的等離子噴涂制備方法。<

3、br>　　針對 NiCoCrAlY過渡層熱氧化+濺射氧化鋁制備的絕緣層容易出現(xiàn)的問題，如絕緣層高溫下易脫落、完整性不易控制等，本論文研究中對工藝過程進行了優(yōu)化，并重點研究了不同熱氧化條件對氧化層微觀形貌、成分的影響，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱氧化之前試樣在950℃氬氣環(huán)境中熱處理4h可以使Al元素擴散到表面，之后隨著熱氧化時間的延長，越來越多α-Al2O3會在表面生成，但是當熱氧化時間延長到一定程度時，會在氧化層中生成嚴重削弱高溫絕緣性的NiO，并

4、且熱氧化層表面會出現(xiàn)越來越多的褶皺，比較測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱氧化10h的試樣氧化層由高純度α-Al2O3組成，再濺射2μm氧化鋁的情況下，高溫下絕緣性相對最優(yōu)，800℃時電阻為6.4kΩ。在該絕緣層表面制備了薄膜熱電阻傳感器，傳感器可以在100—800℃范圍內(nèi)正常工作。但該絕緣層制備方法工藝復雜、耗時時間長，且高溫下電阻不夠足夠大。
　　基于MEMS微結(jié)構(gòu)增強結(jié)合力的思路，我們又提出一種新型的依托等離子噴涂技術(shù)制備高溫絕緣層的方法，通過

5、在基體表面加工形成微型方柱陣列取代傳統(tǒng)噴砂處理來增加結(jié)合力、降低熱應力。運用COMSOL軟件對模型進行了仿真，研究了不同尺寸微陣列結(jié)構(gòu)對熱應力的影響，并比較分析了新型制備方法與傳統(tǒng)噴砂處理制備方法的優(yōu)劣，仿真結(jié)果顯示當表面微型方柱陣列槽寬為500μm時沿界面處高溫熱應力相對最小，并且小于傳統(tǒng)噴砂處理界面處熱應力，實驗結(jié)果顯示該方法制備的高溫絕緣層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和絕緣性，涂層厚度為300μm時，1000℃時絕緣電阻可以達到28