一种能够在液氮至1200℃温度范围内使用的高灵敏柔性温度传感器

温度作为表征物体状态和性质的重要物理参数,在我们的生产生活中起着非常重要的作用。柔性薄膜温度传感器以其能变形、易附着、轻薄等优点受到了广泛关注和研究,在人体温度测量和日常温度测量领域都进行了系统的研究。

温度作为表征物体状态和性质的重要物理参数,在我们的生产生活中起着非常重要的作用。柔性薄膜温度传感器以其能变形、易附着、轻薄等优点受到了广泛关注和研究,在人体温度测量和日常温度测量领域都进行了系统的研究。然而,现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、温度敏感材料等限制,难以实现高温场的温度测量。现有的高温温度测量手段受限于设备尺寸大、需要破坏结构、破坏气流场、受环境干扰等,难以实现对温度场的无损实时温度监测。因此,如何继承柔性薄膜传感器的优势,实现柔性薄膜传感器在高温环境下的安装与应用是值得我们考虑与关注的。

近期,西安交通大学机械工程学院精密工程研究所的田边教授、蒋庄德院士及其合作团队在制造领域的顶尖期刊《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《Flexible temperature sensor with high sensitivity ranging from liquid nitrogen temperature to 1200℃》的研究文章。

图1:在此次工作中,该团队提出了一种基于气凝胶毡基板的柔性热电偶温度传感器的设计理念,采用丝网印刷技术制备以氧化铟和氧化铟锡作为温度敏感层的温度传感器。基于气凝胶毡基板的柔性温度传感器具有良好的温度敏感性,测试灵敏度可达226.7μV/℃。最重要的是,其可以在很宽的温度范围内工作,从极低的液氮温度到1200℃的高温,这是现有所有柔性温度传感器难以实现的,在生物医学、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。

图1 制备的温度传感器与同类型传感器测温温域对比以及传感器在高低温环境中测试。

图2:由于选用具有宽温域的气凝胶毡作为温度传感器的柔性衬底,由于其表面不均匀、粗糙度较大,传统镀膜工艺难以实现薄膜沉积与功能化。因此,在该柔性温度传感器的制作中,采用丝网印刷技术制备厚膜来克服上述困难。实际操作中使有机粘合剂混合功能粉末完成浆料配置,再利用高温热处理的方法去除薄膜中多余有机物。同时针对不同应用表面,基于柔性材料可变形可共形的优势,实现薄膜的曲面化制备。制备的柔性温度传感器能够贴附于不同曲率曲面,例如叶片等。同时其也具有超薄、超轻等优势。

图2 柔性温度传感器制备工艺流程及样品展示。

图3:团队将制备的柔性温度传感器进行了多种实验室与实际测试。其中,包括对小型涡轮发动机的尾喷焰温度进行实时测量、物理爆炸过程中水蒸气温度瞬时监测、对坩埚中金属融化过程进行实时监测等等。传感器在航空航天、钢铁冶金等领域中展现出了极大地应用潜力。同时团队也期望将制备的柔性传感器能够进一步优化,实现涡轮叶片表面、人体皮肤等大面积的温度测量。

图3 柔性温度传感器的实际测试及预期应用。

相关论文信息:

Liu Z J, Tian B, Jiang Z D, Li S M, Lei J M, Zhang Z K, Liu J J, Shi P and Lin Q J. 2023. Flexible temperature sensor with high sensitivity ranging from liquid nitrogen temperature to 1200°C. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015601. DOI: 10.1088/2631-7990/aca44d.

https://doi.org/10.1088/2631-7990/aca44d

International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造》),简称IJEM。由中国工程物理研究院主管,中国工程物理研究院机械制造工艺研究所(第一主办单位)、大连理工大学、复旦大学等单位共同主办,入选2018年中国科技期刊国际影响力提升计划。期刊致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今,期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7,位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区

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