一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶及其制备方法与流程

1.本发明属于薄膜传感器技术领域，具体涉及一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶及其制备方法。


背景技术：

2.在航空发动机设计及验证实验中，为了验证发动机的燃烧效率以及冷却系统的设计，需要准确测试发动机涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度。与传统的线形和块形热电偶相比，高温陶瓷型薄膜热电偶具有热容量小、体积小、响应速度快等特点，能够捕捉瞬时温度变化。同时薄膜热电偶可直接沉积在被测对象的表面,不破坏被测部件结构，而且对被测部件工作环境影响小，因此更适合用于表面瞬态温度测量。通过薄膜热电偶可准确了解热端部件表面温度分布状况，可以优化传热、冷却方案设计，进而保证发动机工作在最优工作状态、提高发动机效率，为新一代战斗机和民航客机的设计提供可靠依据。
3.目前对nicr/nisi薄膜热电偶的研究，已经相对成熟,但是其测试温度范围低，只适应与中低温度测试场合。在高温测试领域,通常采用铂、佬等贵金属为薄膜材料，但是由于其存在成本高、误差大、恶劣环境易氧化等问题。迫切需要研制一种耐高温﹑性能稳定的新型陶瓷薄膜热电偶。现有的研究中，薄膜型的ito和in2o3材料有望成为高温测量的核心首选材料，但是由于ito材料在1300℃以上因为本身的熔点失效。因此选择熔点更高的且具有优异热电特性的氧化锌、氧化锶等材料与氧化铟复合，这种热电偶可以在1500℃时长时间正常工作。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶及其制备方法，提高薄膜热电偶的测温范围和高温耐温性能，满足极端环境下的温度测量需求。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，包括陶瓷基底，陶瓷基底上对称设置并相互接触的氧化铟复合材料薄膜和氧化铟薄膜，氧化铟复合材料薄膜和氧化铟薄膜一侧的陶瓷基底上设置有热电极连接区域，另一侧的陶瓷基底上对应设置引线连接区域构成基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，薄膜热电偶的工作温度为1000～1500℃。
7.具体的，氧化铟复合材料薄膜内掺杂有氧化锌、氧化锶或氧化镁。
8.本发明的另一技术方案是，一种制备基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶的方法，包括以下步骤：
9.s1、分别配置氧化铟浆料和氧化铟复合材料浆料；
10.s2、利用丝网印刷技术，先将步骤s1配置的氧化铟复合材料浆料印刷在陶瓷基底上，干燥得到氧化铟复合材料薄膜；
11.s3、将步骤s1配置的氧化铟浆料印刷在步骤s2处理完的陶瓷基底上，干燥得到氧
化铟薄膜；
12.s4、将步骤s3处理完的陶瓷基底进行退火处理，得到基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。
13.具体的，步骤s1中，将松油醇、环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉分别加入氧化铟粉末和氧化铟复合材料粉末中，配置成氧化铟浆料和氧化铟复合材料浆料。
14.进一步的，氧化铟复合材料中掺杂有含量5％～20％的氧化锌、氧化锶或氧化镁。
15.更进一步的，氧化铟、氧化锌、氧化锶和氧化镁陶瓷粉体的粒径为50～100nm。
16.进一步的，松油醇分别与氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末的质量比为1:5～10，环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的10％～16％；聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的5％～10％，高温玻璃粉质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的6％～8％。
17.具体的，步骤s2和s3中，干燥处理的温度为150～200℃，时间为10～30min。
18.具体的，步骤s4中，退火处理的条件为：在空气气氛下，1200～1300℃下处理1～3小时，升温速率为5～7℃/min。
19.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
20.本发明一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，是针对目前高温环境的长时间精确测量需求，研究设计出基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。由于高温测试领域，常用的贵金属薄膜材料长时间工作会发生氧化失效等问题，ito材料由于自身熔点低等原因，无法在1300℃以上长期稳定工作。而氧化铟、氧化锌、氧化锶和氧化镁等热电材料的熔点在1800℃以上，具有更好的高温稳定性。基于氧化铟优异的热电特性，氧化锌、氧化锶或氧化镁与氧化铟的复合薄膜能够在1500℃下长期存在，利用其与氧化铟薄膜的塞贝克系数差，稳定地输出热电信号；通过丝网印刷技术，在耐高温陶瓷基底上制备基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。该薄膜热电偶可用于极端环境下的高温测量，能够在1000～1500℃下长期稳定工作，抗高温氧化失效能力强。
21.进一步的，掺杂适量的氧化锌、氧化锶或氧化镁可以改变氧化铟的载流子浓度，与未掺杂的氧化铟形成塞贝克系数差，组成薄膜热电偶的两种热电极材料。
22.一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶的制备方法，采用的制备方法是丝网印刷技术，方法较为简单，降低了制造成本。
23.进一步的，松油醇为粉末材料的溶剂；环氧树脂和聚醚胺作为粘结剂，提高粘度；高温玻璃粉可以在高温热处理时填补颗粒之间的间隙，提高薄膜致密度。
24.进一步的，掺杂含量为5％～20％的氧化锌、氧化锶或氧化镁，按照设计好的掺杂比例，采用丝网印刷工艺，在耐高温的陶瓷基底上制备基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。
25.进一步的，粒径小的粉末制成薄膜时，颗粒间的孔隙更小，薄膜的连续性更好。
26.进一步的，松油醇的添加量最好刚刚将粉末全部溶解。环氧树脂和聚醚胺作为粉末的粘结剂，添加过多，浆料太稀，薄膜不易成形；添加过少，浆料太稠，不易通过丝网，甚至会堵塞网孔。高温玻璃粉可以填补微观尺度下颗粒间的孔洞，添加过少，孔洞存在太多，添加过多会导致薄膜电阻率过大，影响热电输出。
27.进一步的，干燥处理的温度为150℃～200℃，时间为10min～30min。其目的在于去除薄膜中的有机溶剂，使薄膜固化。
28.进一步的，退火处理的条件为：在空气气氛下，1200℃～1300℃下处理1～3小时，升温速率为5～7℃/min。其目的在于活化粉末颗粒，提高薄膜致密度，消除薄膜内应力。
29.综上所述，本发明结合氧化铟和氧化锌、氧化锶、氧化镁等高熔点材料的高温稳定性和优异热电特性，通过丝网印刷技术制备一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，可用于极端环境下的高温测量，在1000～1500℃下长期稳定工作。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为本发明的结构示意图。
32.其中：1.陶瓷基底；2.复合材料薄膜；3.氧化铟薄膜；4.热电极连接区域；5.引线连接区域。
具体实施方式
33.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。
35.本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
36.本发明中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。
37.本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。
38.本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。
39.本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。
40.本发明中，本文中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
42.除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
43.本发明综合考虑热电偶在高温下的存活能力和热电输出，提出一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，解决ito材料在更高温度下的失效问题，且具有更好的高温耐温性能。
44.请参阅图1，本发明一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，包括耐高温的陶瓷基
底1和设置在耐高温陶瓷基底1上的氧化铟复合材料薄膜2和氧化铟薄膜3，氧化铟复合材料薄膜2和氧化铟薄膜3对称且相接触设置，氧化铟复合材料薄膜2和氧化铟薄膜3的一侧为热电极连接区域4，另一侧为引线连接区域5，构成基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶，薄膜热电偶能够在1000～1500℃下长期稳定工作，可用于极端环境的高温测量。
45.耐高温陶瓷基底1为氧化铝或者碳化硅基底。
46.采用氧化铟材料制成氧化铟薄膜3；选取不同氧化物材料与氧化铟材料掺杂形成的复合材料作为氧化铟复合材料薄膜2，掺杂的材料为氧化锌、氧化锶或氧化镁，含量为5％～20％，按照设计好的掺杂比例，采用丝网印刷工艺，在耐高温的陶瓷基底1上制备基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。
47.具体实施时所用的实验原料为氧化铟、氧化锌、氧化锶和氧化镁陶瓷粉体，粉体的粒径范围为50～100nm，纯度在99.9％以上。
48.热电极连接区域4的面积为4
×
4mm2，热电极的宽度均为4mm。
49.引线连接区域5的面积为8
×
20mm2。
50.本发明一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶的制备方法，包括以下步骤：
51.s1、将松油醇、环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉分别加入氧化铟粉末和氧化铟复合材料粉末中，均匀混合后，作为印刷热电极的浆料；
52.其中，氧化铟粉末的粒径为50nm，氧化铟复合材料粉末的粒径为100nm，纯度在99.9％以上。
53.配置浆料过程中，松油醇与材料粉体的质量比为1:5～10，环氧树脂质量为材料粉体的质量的10％～16％，聚醚胺质量为材料粉体的质量的5％～10％，高温玻璃粉质量为材料粉体的质量的6％～8％。
54.s2、利用丝网印刷技术，使用刮刀先将氧化铟复合材料浆料通过事先设计好的网版印刷在陶瓷基底上，得到薄膜热电偶的第一个热电极，并在150～200℃下干燥10～30分钟；
55.s3、重复步骤s2，将配置的氧化铟浆料印刷在陶瓷基底上，得到第二个热电极并干燥；
56.s4、最后将基底放入马弗炉中退火后得到基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶；退火条件为：在空气气氛下，1200～1300℃下处理1～3小时，升温速率为5～7℃/min。
57.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
58.实施例1
59.选用的热电极2组分是10％的氧化锌与90％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构，将有机溶剂松油醇与粉体按照1:5的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃
粉，均匀搅拌混合。环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的10％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的5％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的8％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理2小时。热处理的温度为1250℃，升温速率为6℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/zno-in2o3薄膜热电偶。
60.实施例2
61.选用的热电极2组分是15％的氧化锌与85％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构成。将粉体与有机溶剂松油醇按照1:10的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉，均匀搅拌混合。环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的16％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的10％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的6％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理2小时。热处理的温度为1250℃，升温速率为6℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/zno-in2o3薄膜热电偶。
62.实施例3
63.选用的热电极2组分是5％的氧化锶与95％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构成。将有机溶剂松油醇与粉体按照1:6的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉，均匀搅拌混合。环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的15％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的8％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的7％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理3小时。热处理的温度为1200℃，升温速率为5℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/sro-in2o3薄膜热电偶。
64.实施例4选用的热电极2组分是20％的氧化锶与80％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构成。将有机溶剂松油醇与粉体按照1:7的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉，均匀搅拌混合。环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的15％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的9％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的6％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理1小时。热处理的温度为1300℃，升温速率为7℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/sro-in2o3薄膜热电偶。
65.实施例5选用的热电极2组分是5％的氧化镁与95％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构成。将有机溶剂松油醇与粉体按照1:7的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉，均匀搅拌混合。环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的12％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的6％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的7％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理2小时。热处理的温度为1250℃，升温速率为6℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/mgo-in2o3薄膜热电偶。
66.实施例6选用的热电极2组分是10％的氧化镁与90％的氧化铟复合材料，热电极3组分是氧化铟材料。采用丝网印刷技术在氧化铝基底上形成薄膜热电偶，制备的浆料由目标粉体构成。将有机溶剂松油醇与粉体按照1:8的质量比例混合，并加入环氧树脂、聚醚胺和高温玻璃粉，均匀搅拌混合环氧树脂占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的13％，聚醚胺质量占氧化铟粉末或氧化铟复合材料粉末质量的7％，而高温玻璃粉的质量为目标粉体质量的8％。在基本上分别印刷两种热电极薄膜，烘干后的样品放入马弗炉中进行热处理2小时。热处理的温度为1250℃，升温速率为6℃/min，最后制得可耐高温的in2o3/mgo-in2o3薄膜热电偶。
67.综上所述，本发明一种基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶及其制备方法，在耐高温陶瓷基底上制备基于氧化铟复合材料的薄膜热电偶。该薄膜热电偶可用于极端环境下的高温测量，能够在1000～1500℃下长期稳定工作，抗高温氧化失效能力强。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。