薄膜熱流計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)動機的核心部件，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，熱流密度的測量越來越廣泛受到研究人員的關(guān)注，基于航空發(fā)動機渦輪葉片表面熱流密度的測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，薄膜熱流計具有與測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，因此在測量渦輪葉片

2、的表面熱流密度方面具有顯著的優(yōu)勢。熱電堆式熱流計測量熱流范圍廣，輸出信號大，是當前實用最廣泛的測量熱流密度的器件之一。本文設(shè)計和制備了一款熱電堆式薄膜熱流計，并進行性能研究：
　　首先通過理論計算和ANSYS模擬仿真對設(shè)計出來的薄膜熱流計進行分析和優(yōu)化。計算結(jié)果得出，熱流計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在熱流測量時影響傳感器測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，傳感器的靈敏度越大，誤差越小。計算和模擬的結(jié)果為熱流計的設(shè)計和優(yōu)化提供的參考和指導(dǎo)。
　　其次，利用薄膜技術(shù)制備出來薄膜熱流計。采用光刻剝離工藝對熱電堆進行圖形化，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，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120W濺射功率制備出來Pt/ PtRh薄膜熱電偶進行標定，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制備出來的薄膜表面平整

5、致密。
　　最后，分別對不同厚度的SiO2和YSZ熱阻層以及不同熱電偶數(shù)量的熱流計進行標定，厚度為1μm-5μm的SiO2熱阻層熱流計的靈敏度 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。通過比較不同溫度下傳感器的信號波動情況，發(fā)現(xiàn)是隨著溫度的增加以及熱阻層厚度增加，信號強度增加，但是熱流計測試精度有一定的下降，漂移率有所增加。相比于SiO2，采用 YSZ熱阻層的熱流計不僅信號更強，而且性能更加穩(wěn)定。