In_2O_3/ITO高温陶瓷薄膜热电偶的制备与性能研究

【摘要】：在航空发动机的设计和验证试验中,需要准确测量涡轮叶片表面和燃烧室内壁等热端部件的表面温度及分布,以准确评估热端部件的冷效设计和热障涂层的效果。相较于铠装热电偶丝,薄膜热电偶具有不破坏测试部件结构、响应时间短、热容量小和结构尺寸薄等优点,因此在热端部件的表面温度测量方面具有明显的技术优势。随着航空发动机不断向大推力、大推重比的方向发展,涡轮叶片表面以及燃烧室内壁等部位温度急剧升高(1100℃),常规的金属薄膜热电偶材料体系已经无法满足应用环境需求,而In_2O_3/ITO宽禁带半导体型全陶瓷薄膜热电偶具有耐高温和抗氧化能力强等特点,并且赛贝克系数较大,因此对于恶劣环境下的高温测量具有明显的优势。本论文针对高温热端部件表面温度测量的应用背景,开展了In_2O_3/ITO高温陶瓷薄膜热电偶的制备技术及性能研究,重点研究了氮掺杂和退火处理对In_2O_3/ITO高温陶瓷薄膜热电偶热电性能的影响。首先,对射频溅射In_2O_3薄膜的制备工艺进行了研究。研究结果表明,溅射气压和溅射气氛中含氮比例越大,In_2O_3薄膜的电阻率由于氧空位被填充,载流子浓度降低而逐渐增大。并且含氮比例越大,薄膜倾向(222)晶面择优生长;当溅射功率越大时,In_2O_3薄膜的沉积速率越大,表面更加致密,电阻率由于薄膜的缺陷减少而更低。其次,采用不同退火工艺对In_2O_3薄膜进行了热处理。结果表明,经大气退火、真空/大气退火以及氮气/大气退火的In_2O_3薄膜均出现了氮化物以及(400)晶面择优生长。经真空/大气退火时,大气退火温度越高,In_2O_3薄膜电阻率先增大,当温度升高至1200℃时,薄膜表面晶粒增大使薄膜致密,由于晶格缺陷、电子陷阱和晶界散射作用减弱,电阻率降低;大气退火时间越长,In_2O_3薄膜电阻率由于载流子浓度降低而增大。经氮气/大气退火时,氮气退火温度越高,In_2O_3薄膜表面越致密,缺陷越少,电阻率越低。第三,在Al_2O_3陶瓷片上制备了In_2O_3/ITO薄膜热电偶样品(尺寸为63 mm×1mm×1μm),采用不同的退火方式对样品进行退火处理,样品在300℃-1000℃温度范围内进行静态标定。结果表明,氮气/大气退火处理能够有效改善In_2O_3/ITO薄膜热电偶的热电稳定性。经氮气/大气退火时,由于氮作为价带电子受主存在薄膜中,随着制备In_2O_3薄膜时溅射气氛中含氮比例的增大,导致薄膜热电偶的赛贝克系数逐步减小。另外,Al_2O_3保护层会提高In_2O_3/ITO薄膜热电偶的平均赛贝克系数,经过第一次静态标定后,其热电性能更加稳定,对样品第四次的标定结果进行三次多项式拟合,得到其平均赛贝克系数为132.05μV/℃,最大测温误差为0.96%,最小为0.10%。最后,在Ni基合金基片上制备了金属基In_2O_3/ITO薄膜热电偶样品,样品由约15μm厚的NiCrAlY过渡层、1.5μm厚的热生长Al_2O_3层、12μm厚的Al_2O_3绝缘层、1μm厚的In_2O_3/ITO功能层(尺寸为63 mm×1 mm×1μm)和3μm厚的Al_2O_3保护层构成。样品经氮气/大气退火,再在300℃-1000℃温度范围进行静态标定。结果表明,经过第一次静态标定后,其热电性能更加稳定。四次标定的总时间大约为28 h,说明In_2O_3/ITO薄膜热电偶能够在高温下至少生存28 h。对样品第四次的标定结果进行三次多项式拟合,得到样品的平均赛贝克系数为123.55μV/℃,最大测温误差为0.94%,最小为0.06%。