一种抗热震的C/SiC复合材料高温复合绝缘层

本发明属于薄膜传感器设计与生产，具体涉及一种抗热震的c/sic复合材料衬底上的耐高温复合绝缘层及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天技术的不断发展，热端部件的工作温度越来越高，工作环境愈发恶劣。为保证极端环境中热端部件安全可靠地工作，航空航天领域越来越多装备的热端部件采用耐高温材料进行制备，如碳纤维增强碳化硅基体复合材料（c/sic）、碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（sic/sic）、耐高温陶瓷等。其中c/sic复合材料具有高硬度、低密度、抗氧化、抗热震和工作温度高等特点，被广泛应用于航空航天领域中的热端部件制造。但这些热端部件往往在极端环境下工作，极易发生烧蚀或断裂等现象，严重影响着装备的性能及安全。因此，研制稳定、可靠且适用于航空航天高温、高压、强振动等极端工作环境的各类传感器具有重要意义。

2、薄膜沉积技术能将薄膜直接沉积于被测部件表面，形成薄膜传感器。由于薄膜传感器具有微纳米量级，沉积在被测部件表面对表面流场产生干扰较小，同时也不会破坏部件的力学结构等，使得薄膜传感器具有更高的准确度和可靠性，能大大减小各类测试中的误差。由于薄膜传感器具有微纳米量级，使得薄膜传感器具有较快的响应速度，而且适用于高温极端恶劣环境。

3、由于c/sic复合材料表面电阻很小，仅仅几欧姆，为保证薄膜传感器正常工作，需要传感器与c/sic复合材料衬底之间保持良好的电绝缘。 同时，因为热端部件的工作环境温度越来越高，单层绝缘薄膜绝缘性能远远不够，公开号为cn116949428a的中国专利文献公开了一种c/sic复合材料衬底薄膜传感器用绝缘层及其制备方法，该方案采用的多层薄膜绝缘层结构及制备方法为：溶胶凝胶法制备sio2+pecvd制备si3n4+原子层沉积制备al2o3+磁控溅射法制备ysz/al2o3。该方案在1000℃环境下电阻仅为103ω，而常见的薄膜应变计、热电堆等敏感层薄膜的电阻往往在几千欧到几十千欧，为保证这些传感器的正常工作，一般要求绝缘层电阻至少比敏感薄膜高两个数量级。此外，在高温下或温度剧烈变化的时候，多层薄膜之间还可能出现热膨胀系数不匹配的问题使得薄膜脱落或开裂，导致绝缘层失效。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明专利提出了一种抗热震的c/sic复合材料高温复合绝缘层的结构。所述结构由五层薄膜组成，自下而上依次为si3n4过渡层、ald/ al2o3阻挡层、al2o3绝缘层、ald/ al2o3阻挡层、si3n4保护层。所述结构利用应变相消的原理，在al2o3绝缘层上下表面沉积热膨胀系数相近但应力状态相反的薄膜，来缓解应力带来的破坏作用。

2、所述在c/sic复合材料表面沉积的耐高温复合绝缘层薄膜，在1000℃抗热震实验后复合绝缘层各层薄膜附着力良好，未见裂纹、起皮和脱落的现象。对其绝缘性能进行测试发现，在至少1000℃的环境下保持1mω的电阻长达30min，为航空航天领域热端部件表面的状态监测提供技术支撑。

3、本发明的技术方案如下：

4、用于c/sic复合材料的高温复合绝缘层，自下而上依次为si3n4过渡层、ald/ al2o3阻挡层、al2o3绝缘层、ald/ al2o3阻挡层、si3n4保护层。

5、所述的一种抗热震的c/sic复合材料高温复合绝缘层，其特征在于，形成的所述si3n4过渡层的厚度为0.2μm~5μm、所述ald/al2o3阻挡层的厚度为50nm~2000nm，所述al2o3绝缘层的厚度为0.2μm~10μm、所述ald/al2o3阻挡层的厚度为50nm~2000nm，所述si3n4保护层的厚度为0.2μm~5μm。

6、上述用于c/sic复合材料的高温复合绝缘层，优选的，所述si3n4过渡层及si3n4保护层采用磁控溅射法制备、所述ald/ al2o3阻挡层采用ald原子层沉积法制备、所述al2o3绝缘层采用磁控溅射法制备、所述ald/ al2o3阻挡层采用ald原子层沉积法制备。

7、作为一个总体技术构想，本发明还提供一种抗热震的c/sic复合材料高温复合绝缘层的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1、衬底的表面处理：将渗si法处理后的c/sic复合材料依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗，清洗后在氮气气氛下干燥处理；

9、步骤2、si3n4过渡层的制备：利用真空镀膜技术（包括磁控溅射、物理化学气相沉积等技术）制备si3n4薄膜，经镀膜后，在所述表面处理后的c/sic复合材料衬底上得到si3n4过渡层薄膜；

10、步骤3、ald/ al2o3阻挡层的制备：利用原子层沉积方法（ald）制备al2o3薄膜，其中，前驱体为三甲基铝，氧化剂为水，沉积温度为100℃～300℃，经沉积后，在所述si3n4过渡层薄膜上得到ald/ al2o3阻挡层薄膜；

11、步骤4、al2o3绝缘层的制备：利用磁控溅射设备制备al2o3薄膜，其中，靶材采用al金属靶或al2o3陶瓷靶材，溅射功率为60~400w，经溅射后，在所述ald/ al2o3阻挡层薄膜上得到al2o3绝缘层薄膜；

12、步骤5、ald/ al2o3阻挡层的制备：利用原子层沉积方法（ald）制备al2o3薄膜，其中，前驱体为三甲基铝，氧化剂为水，沉积温度为100℃～300℃，经沉积后，在所述al2o3绝缘层薄膜上得到ald/ al2o3阻挡层薄膜；

13、步骤6、si3n4保护层的制备：利用真空镀膜技术（包括磁控溅射、物理化学气相沉积等技术）制备si3n4薄膜，经镀膜后，在所述表面处理后的c/sic复合材料衬底上得到si3n4保护层薄膜；

14、步骤7、高温处理：将步骤6得到的衬底进行退火，得到用于c/sic复合材料的高温复合绝缘层。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明设计了一种薄膜传感器通用的抗热震耐高温复合绝缘层结构，各层薄膜材料的热膨胀系数相近（碳化硅热膨胀系数4.4×10-6/℃、氮化硅热膨胀系数3.5×10-6/℃、氧化铝热膨胀系数4.4×10-6/℃）。各层薄膜间的应力匹配良好，不会因各层薄膜间的应力导致薄膜脱落等问题。同时，三明治结构因其具有对称性能有效地实现各层薄膜间的应力释放，使得所述高温复合绝缘层具有良好的附着力、高温稳定性和抗热震性能，能较好地适应高温极端环境。

17、2、本发明采用原子层沉积方法（ald）在al2o3绝缘层薄膜上方和下方分别制备了一层ald/ al2o3阻挡层薄膜，这个三明治的膜层结构使得al2o3绝缘层薄膜在上下两个方向都被原子层沉积方法制备的ald/ al2o3阻挡层薄膜包裹。首先，由于al2o3在高温下电阻率较高，并且其绝缘性能随厚度增加而增大，而原子层沉积法生长al2o3薄膜速度较慢，并且厚度很难做到微米级，因此在ald/ al2o3阻挡层薄膜中间选用溅射方法制备较厚的al2o3绝缘层薄膜。其次，溅射沉积的al2o3绝缘层薄膜致密性较差，在高温下会产生微裂纹和缺陷，导致的绝缘性能衰减，因此利用原子层沉积方法在al2o3绝缘层上下分别制备一层ald/ al2o3阻挡层薄膜。ald/ al2o3薄膜致密性好、缺陷少，能有效提升在高温环境下所述高温复合绝缘层的绝缘性能。