[发明专利]一种金属基高温组合绝缘层及其制备方法

说明书

本发明属于高温薄膜材料技术领域，提供一种金属基高温组合绝缘层及其制备方法；用以提高金属基底与薄膜敏感层之间的绝缘性，确保薄膜传感器在高温环境下使用的可靠性、准确性和使用寿命。本发明金属基高温组合绝缘层，包括：从下往上依次设置的金属基底、NiCrAlY合金过渡层、α‑Al₂O₃层，以及α‑Al₂O₃层上依次层叠的n个复合绝缘层，其中n≥2；每个复合绝缘层由从下往上设置的非晶态YSZ层和Al₂O₃层构成。本发明中每个复合绝缘层采用非晶态YSZ层‑Al₂O₃层复合结构，有效避免高温环境下晶态YSZ作为非晶态YSZ向晶态转变所需的晶核，减缓非晶YSZ在高温环境下向晶态转变，提高了非晶态YSZ的高温稳定性；同时，形成“非晶态YSZ‑Al₂O₃‑非晶态YSZ”的三明治结构，进一步提高绝缘性能。

技术领域

本发明属于高温薄膜材料技术领域，涉及适用于超导、核电、航空航天等领域中的薄膜传感器与金属基底在高温环境下的电绝缘层，特别是航空发动机叶片等高温部件上的薄膜应变计、热电偶、流量计等传感器与以镍基合金为基底的金属材料之间的电绝缘层。

背景技术

最近二三十年，随着真空技术的发展，传感技术界的研究重点放在了发展能替代传统传感器的薄膜传感器，比如薄膜气敏传感器、薄膜应变计、薄膜热电偶、薄膜流量计。由于其由真空蒸发、溅射、化学气相沉积或者离子气相沉积等工艺直接沉积在试样表面，而具有较好的附着性；其结构、功能具有一体化的特点，因此灵敏度较高、响应较快；厚度在微米级别，适用于高温、高动态的环境；而且，利用金属掩模或者光刻技术可以制备出小型化、高精度可适用于不同曲面、不同区域的传感测量。

而针对工作在高温、高压、高气流流速、强振动等恶劣环境中的航空发动机涡轮叶片，监测其力学状态的主要有薄膜应变计；监测其所处环境的传感器主要有薄膜热电偶、薄膜流量计；这些薄膜传感器都是将测量参数转换为敏感元的电信号；为了保证薄膜传感器的正常工作，就需要金属基底与薄膜传感器之间进行电绝缘。

目前，单一结构的薄膜绝缘层主要有Al₂O₃、YSZ、HfO₂、Si₃N₄、SiO₂，但HfO₂和SiO₂在600K的环境下会因为薄膜中的缺陷及位错等导通，而且可以明显观察到有脱落现象；3μm厚的Si₃N₄可以满足600K的使用要求，但是Si₃N₄在保存一段时间后，可以明显的观察到其边缘存在自然脱落现象；Al₂O₃可以使用到900K，但是容易硬化变脆而开裂、脱落。而复合结构的绝缘层主要有SiO₂/Ta₂O₅、YSZ/Al₂O₃等，如杨晓东，张洁，蒋书文等，“YSZ/Al₂O₃复合薄膜高温绝缘层的研究”中采用“晶态YSZ-非晶态YSZ-Al₂O₃”复合结构作为绝缘层，但是在长时间高温使用时发现非晶态YSZ会结晶，绝缘性变差；其主要原因是在高温环境下，晶态YSZ层为非晶态YSZ层提供转化为晶态YSZ所需晶核，加速了非晶YZS向晶态转变；同时，晶态的YSZ在高温环境中，因为Y³⁺取代了Zr⁴⁺而产生氧空位，使晶态YSZ转变为良好的离子导体。

基于此，本发明提供一种金属基高温组合绝缘层及其制备方法，用于高温环境中薄膜传感器与金属基之间的电绝缘。

发明内容