陶瓷温度传感器的实验范文

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《机械设计与制造杂志》2016年第三期

摘要：

温度的精确测量在工程实践中常具有重要意义，而超高温的测量对传感器件的耐高温性能提出了极高的要求。本研究对碳纳米管（CNT）和高岭土混合后进行烧结，所制备的多孔材料具备半导体的特性。由于该材料的交流电阻抗随温度的升高而降低，陶瓷本身具有耐高温的特点，该材料可用于超高温测试传感器件。本研究针对不同碳纳米管添加量的陶瓷材料试件进行了系列实验，初步揭示了材料阻抗对温度敏感的规律和机理，为进一步开发超高温测试传感器创造了条件。

关键词：

精确测温；传感器；碳纳米管（CNT）；陶瓷

1引言

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度是航空发动机工作过程中的一个重要的参数，实现温度的精确测量对航空发动机的研制、试验、生产和使用维修有着重要意义[1]。航空发动机的发展是以高温为主要特征的，随着现代航空发动机技术的发展，提高燃气涡轮进口温度已成为改善发动机性能的一条主要途径[2]。高性能航空发动机在运行时，由于气流工作压力和温度都大大增加，使燃烧室后气流温度和高温旋转热端部件表面温度的准确测量成为两个关键问题。随着发动机推重比性能的提高，燃烧室后燃气温度将越来越高，已经超出了常用的普通温度传感器的测温上限[3]，另一方面，耐高温、耐高压、耐高速气流冲刷、耐腐蚀（水、氧环境）的高性能温度传感器是高推重比航空发动机热端部件必不可少的关键器件之一。这种需求和挑战，使得研发新型的高温传感器成为一个迫切的任务。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，基本原理是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化。理论上讲，可以利用所有与被测对象温度呈单调关系的可定量测量的特性参数来进行温度测量，因此，能作温度传感器的材料相当多，测量温度的方法也很多，例如，按照传感器与被测介质的接触方式分接触式和非接触式两大类。然而，对于航空发动机而言，温度测量技术除了要满足量程和准确度的基本要求外，还要考虑诸多因素。目前，虽然温度传感器技术已经得到了很大发展，但是实践证明，各种技术均有其局限性，如高温热电偶[4]，由于其具备使用简单、性能稳定，不易受到干扰的特点，在冶金等行业得到比较广泛的应用，然而另一方面，该方法具有温度反映滞后、成本高、热电偶丝容易受腐蚀、寿命短等缺点，从而制约了其进一步推广。红外测温仪具有测温范围广、灵敏度高、分辨率较高和系统装配简便等优点。然而，热辐射测温方法是依据被测对象的辐射能量来进行测量的，因此不适于测量高温气流的温度，而适用于测量高温物体表面的温度[5]。

红外测温方案虽然避免了热电偶易损坏、响应速度慢等缺点，测量物体表面温度时，相对于接触式测量方案而言，其测量结果容易受到中间介质变化的影响，准确度有一定的差距。所以，继续发展高温温度传感器技术是对航空工业的支持，是必须面临的挑战。国外针对新型温度传感器已经有所研究，如光纤类高温传感器[6]等。近年来，纳米碳素材料由于其优良的物理、化学和力学性能已经成为各领域研究的热点[7-8]。基于陶瓷材料耐高温、耐腐蚀的特性，本研究将纳米碳管添加到高岭土中进行烧结，制备出其电阻随温度变化的多孔材料。进一步的实验研究表明，该材料的电阻对温度的敏感性依赖于碳管的添加量，通过调整碳管含量可以调节电阻-温度曲线的斜率，因此，碳管/高岭土烧结材料，为研发新型高温温度传感器提供了一种选择。

2试件制备及实验步骤

用来制备试件的高岭土和纳米碳管样品，如图1所示。高岭土、碳管和电极合金的具体参数如下：（1）实验用高岭土分析纯：天津科密欧公司生产的高岭土分析纯（AR），主要成分为Al2O3（39.5%）、SiO2（46.54%）和H2O（13.96%）。（2）多壁纳米碳管：北京博宇高科新材料技术有限公司生产。纯度>90wt%，直径>50nm，长度20μm，比表面积>40m2/g，导电率102s/cm。（3）钨-镍合金电极材料：镍含量为3%的钨-镍合金作为电极材料，该种合金能有效应对高温加热后钨重结晶导致变脆的问题[9]。该型号钨丝在瓷器窑中广泛使用，不易因弯折而损坏，高温后机械性能较为优良。实验步骤为：（1）按照一定质量比混合纳米碳管和高岭土，制备复合材料坯料；（2）利用模具制备尺寸固定的复合材料毛坯（5×6×12）mm；（3）高温炉中1500℃烧结复合材料毛坯，制备试件。试件如图2所示；（4）将试件至于高温炉中，将电极引出炉外，改变炉内温度并以LCR自动元件分析仪测量试件阻抗，绘制温度-阻抗曲线；（5）调整纳米碳管添加量，制备不同批次的试件，重复（1）至（4）中步骤。本研究制备了纳米碳管与高岭土分析纯的重量比分别为1/100、1/50和1/20的三种不同试件，并对其进行了高温（700~1300）℃环境下试件的电学特性测试。测试设备为TH2829A/B/C型LCR自动元件分析仪，测试频率分别为100kHz和1MHz。根据试验结果得到材料的温度-阻抗曲线，如图3、图4所示。

3模型分析

试验中发现，将纳米碳管添加到高岭土中烧结制备的陶瓷材料在高温中表现出半导体的特性，即材料的阻抗随温度的增加而减小。初步分析认为，纳米碳管起到调节材料导电系数的作用，原因在于，高温环境下，碳和空气中的氧气产生化学反应生成二氧化碳，即C+O2=CO2。高温下二氧化碳的膨胀使高岭土基体中产生细微空腔，最终制得的材料是一种多孔介质，热量在多孔介质中传播与一般材料不同[10]。纳米碳管添加量越大，材料的孔隙率越高，其热传导特性、阻抗特性皆随之改变。另一方面，导体上两点之间的电阻和两点间的距离呈正比而与导体的横截面积成反比。孔隙率高的材料，有效横截面积就小，导电系数相应降低。材料样本简化模型，如图5所示。假设材料基体的电阻率是（量纲为Ω•mm），单位而材料的孔隙率为C（量纲为1），L，a，b分别为材料样本的长宽高（量纲为mm），则材料样本的横截面积为S=ab（1-c）。可见，调整纳米碳管的添加量，可以改变陶瓷材料的孔隙率，从而达到控制材料等效电阻率αE的目的。然而，在实验中也发现一些问题，如：（1）由于团聚现象，纳米碳管和高岭土的混合不够均匀，出现试件性能不稳定的状况。因此，建议采用行星搅拌和超声波搅拌两种方式混合原材料[11]。（2）对试件进行加温和降温实验时，温度控制不稳定，造成试件的阻抗出现波动。（3）试件尺寸较大（5×6×12）mm，因此对环境温度的变化反应滞后。温度低于700℃时，试件的阻抗达到兆欧级别，超出LCR仪器的测量范围。实验中，试件要尽可能小，比如做成薄片，增强试件对温度的反应速度。研究适应极端条件下的高温传感器对某些重要国防工业有着重要意义，针对此种陶瓷温度传感器，一些近一部研究将被继续。

4结论

综合上述数据与分析，得出结论：（1）本研究测试了纳米碳管添加比例不同的三种陶瓷复合材料在两种测试频率下的电学阻抗特性。数据显示，随着温度升高，试件的阻抗都呈现单调递减趋势；（2）在相同的测试频率下，纳米碳管添加量为1/100和1/50的两种材料的电学特性没有明显差别；而碳管添加量为1/20时，材料的电学特性比碳管添加量为1/100和1/50时有明显变化，表现为温度相同时，碳管添加量最小的试件，其阻抗最大。（3）LCR分析仪测试阻抗时的频率影响材料的阻抗-温度曲线品质。测试频率低时，测试曲线单调但是非线性强；测试频率越高，阻抗-温度曲线的线性越好。

作者：应琴 黄楷焱 陈泽芸 袁卫锋 单位：西南科技大学 制造科学与工程学院