鄭州大學張銳教授、邵剛教授課題組AFM：高溫極端環境應變-溫度一體化傳感器

面向國家重點領域的關鍵需求，一些極端環境下溫度、應變等信息的原位實時測量，是實現高端武器裝備、高性能發動機在極端環境下安全運行的重要監測手段，對提升我國國防實力和國家核心競爭力意義重大。在實際應用中需要強調幾個重要的參數，如靈敏度、響應速率、穩定性、量程、小型化和多功能化等。目前已成功商業化的高溫應變傳感器中，金屬應變片由于其抗腐蝕和抗氧化性能較差導致傳感器的壽命和穩定性不能滿足需求；光纖布拉格光柵應變傳感器存在量程小、信號解耦復雜等缺點；SiC電容式應變計可以在腐蝕性環境中較好地工作，但其最高工作溫度和應變范圍有限，這些不足限制了其在極端環境中的進一步應用。因此，研究能夠在高溫極端環境下能夠同時實現溫度和應變測量的小型化傳感器充滿了挑戰。

聚合物先驅體陶瓷(PDCs)具有優異的高溫半導體特性、壓阻效應、抗氧化和耐腐蝕性能，在微機電系統(MEMS)、微傳感器、涂層等領域得到了廣泛的應用。同時，基于液態的聚合物前驅體，可以簡單、經濟地制備具有復雜結構的PDCs。因此，PDCs可能是制造具有優異性能的高溫極端環境應變傳感器的有力候選者。本文中利用聚合物先驅體SiCN陶瓷制備了多功能、小型化、寬量程的溫度應變一體化傳感器，利用特殊的結構設計成功解決了溫漂效應，實現了高溫極端環境下同時對溫度和應變的精準測量。

圖1. (a) 實驗流程圖；(b)、(c) 力學仿真和理論計算結果；(d)、(e) 傳感器測試平臺

如圖2、3、4所示，該團隊制備了可在室溫至1000 ℃溫度范圍內工作的全致密PDCs應變-溫度一體化高溫極端環境傳感器，具有超快響應速率、高靈敏度和超大量程的應變傳感器，測量溫度達到1000 ℃。

圖2. 室溫環境下應變傳感器GF、響應速率、量程、循環穩定性等性能測試

圖3. 高溫環境下應變傳感器高溫穩定性、循環穩定性等性能測試

圖4溫度-應變耦合信號

相關工作以題為“A strain-temperature integrated polymer-derived SiCN ceramic high temperature sensor with wide-range and ultra-short response time”的研究性文章發表在《Advanced Functional Materials》。碩士研究生楊猛猛，馬超副研究員為共同第一作者，邵剛教授為論文通訊作者。該研究受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、河南省優秀青年科學家基金、河南省高校科技創新人才支持計劃等項目資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400400

作者簡介

邵剛，鄭州大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，國家萬人計劃青年拔尖人才、國家重點研發計劃首席科學家；獲中國青少年科技創新獎、中國硅酸鹽學會青年科技獎、中原青年拔尖人才、河南省高校科技創新人才以及鄭州大學青年拔尖人才；兼任中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會青年工作委員會副秘書長、中國機械工程學會工程陶瓷分會理事、中國硅酸鹽學會測試分會理事、中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會理事、美國陶瓷學會會員以及Journal of Advanced Ceramics、International Journal of Applied Ceramic Technology等期刊編委。主要研究領域：聚合物先驅體陶瓷、高溫極端環境傳感器以及場輔助陶瓷制備技術等。主持國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金（3項）、中央軍委裝發預研項目、中國航發產學研項目以及河南省優秀青年基金等項目10余項。在Adv. Funct. Mater、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Adv. Ceram.、J. Eur. Ceram. Soc.以及J. Am. Ceram. Soc.等期刊上發表SCI論文200余篇，ESI高被引論文7篇，獲RSC全球top1%高被引中國學者；獲高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）二等獎、中國發明專利銀獎、中國建材聯合會科學技術一等獎、河南省科技進步二等獎、河南省自然科學二等獎等獎勵；參加國內外學術會議20余次，受邀做主旨報告/邀請報告10余次；授權中國發明專利15項，參編高等學校教材1部。