薄膜熱流計(jì)的研制及模擬仿真研究.pdf

1、在航天航空領(lǐng)域，渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其正常工作下溫度分布狀態(tài)與部件的使用壽命有著直接的關(guān)系，而僅把溫度作為計(jì)算和分析渦輪葉片在惡劣工作環(huán)境下的溫度分布的唯一信息是完全不夠的。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，熱流密度的測(cè)量越來(lái)越廣泛受到研究人員的關(guān)注，基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面熱流密度的測(cè)量也慢慢開始得到了重視和發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的熱流計(jì)，薄膜熱流計(jì)具有與測(cè)試部件良好的兼容性、響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)微型化和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在測(cè)量渦輪葉片

2、的表面熱流密度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。熱電堆式熱流計(jì)測(cè)量熱流范圍廣，輸出信號(hào)大，是當(dāng)前實(shí)用最廣泛的測(cè)量熱流密度的器件之一。本文設(shè)計(jì)和制備了一款熱電堆式薄膜熱流計(jì)，并進(jìn)行性能研究：
　　首先通過(guò)理論計(jì)算和ANSYS模擬仿真對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的薄膜熱流計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果得出，熱流計(jì)的輸出與組成薄膜熱電堆的熱電偶的塞貝克系數(shù)和熱阻層材料的熱導(dǎo)率和厚度有著直接的關(guān)系。根據(jù)仿真的模擬出熱流計(jì)在熱流測(cè)量時(shí)影響傳感器測(cè)量精度的兩種主要因素。結(jié)果顯示

3、，熱阻層越薄，熱阻層越長(zhǎng)，傳感器的靈敏度越大，誤差越小。計(jì)算和模擬的結(jié)果為熱流計(jì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供的參考和指導(dǎo)。
　　其次，利用薄膜技術(shù)制備出來(lái)薄膜熱流計(jì)。采用光刻剝離工藝對(duì)熱電堆進(jìn)行圖形化，采用射頻磁控濺射制備Pt/PtRh熱電堆薄膜，采用電子束蒸發(fā)制備SiO2和YSZ薄膜熱阻層。研究了濺射功率對(duì)Pt和PtRh薄膜圍觀形貌、電學(xué)性質(zhì)和沉積速率的影響。結(jié)果顯示，隨著濺射功率的增加，沉積速率也隨之增大，而電阻率先降低后趨于穩(wěn)定。在12

4、0W時(shí)，Pt和PtRh薄膜表面平整致密，電阻率分別為2.08×10-5Ω·cm和3.53×10-5Ω·cm，沉積速率分別為9.5nm/min和10.3nm/min。對(duì)120W濺射功率制備出來(lái)Pt/ PtRh薄膜熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，其塞貝克系數(shù)給9.4μV/℃。研究了基片溫度和蒸發(fā)束流對(duì)SiO2和 YSZ熱層表面形貌與沉積速率的影響。隨著溫度的增加YSZ薄膜由非結(jié)晶態(tài)向結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變，在基片溫度為300℃，蒸發(fā)束流為60mA制備出來(lái)的薄膜表面平整

5、致密。
　　最后，分別對(duì)不同厚度的SiO2和YSZ熱阻層以及不同熱電偶數(shù)量的熱流計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，厚度為1μm-5μm的SiO2熱阻層熱流計(jì)的靈敏度 K值分別為6.41×10-4uV(W/m2)、1.10×10-3uV(W/m2)、1.34×10-3uV(W/m2)、1.55×10-3uV(W/m2)和1.71×10-3uV(W/m2)。厚度為2μm和4μm的YSZ熱阻層熱流計(jì)的靈敏度K值分別為4.72×10-3μV(W/m2)和7.9

6、0×10-3μV(W/m2)。根據(jù)靈敏度K值反推出熱阻層的熱導(dǎo)率，結(jié)果顯示本文所制備的SiO2和YSZ熱阻層的熱導(dǎo)率較低，十分適合作為熱阻材料，并獲得了薄膜熱導(dǎo)率與薄膜厚度的關(guān)系：隨著薄膜厚度的增加，薄膜的熱導(dǎo)率也隨之增加。通過(guò)比較不同溫度下傳感器的信號(hào)波動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)是隨著溫度的增加以及熱阻層厚度增加，信號(hào)強(qiáng)度增加，但是熱流計(jì)測(cè)試精度有一定的下降，漂移率有所增加。相比于SiO2，采用 YSZ熱阻層的熱流計(jì)不僅信號(hào)更強(qiáng)，而且性能更加穩(wěn)定。