一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶及其制备方法，目的在于，能够用于极端环境下的高温测量需求，所采用的技术方案为：一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，包括设置在陶瓷基片上的两个热电极，两个热电极相互搭接，两个热电极的材料均采用铬酸镧薄膜，铬酸镧薄膜中掺杂有Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Cu、Sm、Fe、Ni和V中的一种或几种掺杂元素，所述两个热电极采用的铬酸镧薄膜中掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器制备技术及高温温度测量
，具体涉及一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶及其制备方法。
技术介绍
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。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、铑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。但是进一步的研究发现，ITO系列薄膜热电偶由于在大于1000℃的高温区域会出现非常剧烈的热挥发，从而造成其高温测量的不稳定以及最高温度的限制。这一点严重制约着ITO薄膜在高温热流道等高温测量领域的应用。LaCrO3作为一种典型的p型氧化物导电材料，具有熔点高(2400℃)和较好的导电能力，且在氧化和还原气氛中物理化学性质稳定等特点。通过掺杂不同价态的元素能够提高LaCrO3导电能力和高温稳定性，现在已被广泛应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极和连接体材料。如果将两种不同导电特性的掺杂铬酸镧材料通过合理的组合，就有可能成为一种新的高温型薄膜热电偶。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提出一种能够用于极端环境下的高温测量需求的掺杂铬酸镧薄膜型热电偶及其制备方法。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，包括设置在陶瓷基片上的两个热电极，两个热电极相互搭接，两个热电极的材料均采用铬酸镧薄膜，铬酸镧薄膜中掺杂有Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Cu、Sm、Fe、Ni和V中的一种或几种掺杂元素，所述两个热电极采用的铬酸镧薄膜中掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素。所述铬酸镧薄膜中掺杂元素的含量为0-40％。所述两个热电极沿陶瓷基片中心线呈镜像对称设置，两个热电极搭接形成U型结构或V型结构。所述每个热电极的长度在8-30cm，宽度为0.2-1.55cm，厚度为0.3-20μm，两个热电极搭接重合区的长度为0.5-3cm。所述陶瓷基片为氧化铝、莫来石或SiC的耐高温结构陶瓷。一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶的制备方法，包括以下步骤：选择掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素的两个热电极材料，采用磁控溅射、丝网印刷、脉冲激光沉积或者化学溶液法，在陶瓷基片上沉积成薄膜型热电极，再经过高温热处理，即得到掺杂铬酸镧薄膜型热电偶。所述高温热处理温度为600-1200℃。与现有技术相比，本专利技术的热电偶利用铬酸镧薄膜材料掺杂改性后所表现出来的优异的高塞贝克系数特性，采用两种不同导电特性的薄膜构成薄膜型热电偶，用于高温氧化气氛中的温度测量，能够在1200℃-1600℃高温下长期稳定工作，本专利技术的热电偶具有输出电压较高，从而在校准使用时灵敏度较高。本专利技术采用新型陶瓷热电偶材料，相比普通K型热电偶，具有测温范围更广，而且能够适应氧化和酸碱环境的优点；相比其他类型耐高温热电偶材料如铂铑等，在相同的温度测试范围内，其热电偶成本低；相比于传统ITO等陶瓷薄膜热电偶具有更高的使用温度和更长的高温服役时间，且适用于在航天航空等领域的极端环境温度测试。与现有技术相比，本专利技术的方法选择掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素的两个热电极材料，通过磁控溅射、丝网印刷、脉冲激光沉积或者化学溶液法，在高温陶瓷基片上沉积制备出掺杂铬酸镧氧化物薄膜，再经过高温热处理最终获得能在高温下稳定输出信号的薄膜型热电偶，用于极端环境下的高温测量需求，制备方法过程简单可靠，制得的热电偶能够在1200℃-1600℃高温下长期稳定工作，相比普通K型热电偶，具有测温范围更广，而且能够适应氧化和酸碱环境的优点；相比其他类型耐高温热电偶材料如铂铑等，在相同的温度测试范围内，其热电偶成本低；相比于传统ITO等陶瓷薄膜热电偶具有更高的使用温度和更长的高温服役时间，且适用于在航天航空等领域的极端环境温度测试。附图说明图1为实施例1的U型结构La0.8Sr0.2CrO3-LaCrO3厚膜热电偶结构示意图，其中1-La0.8Sr0.2CrO3热偶电极材料，2-LaCrO3热偶电极材料，3-氧化铝陶瓷基板、4-电极；图2为实施例1丝网印刷用La0.8Sr0.2CrO3和LaCrO3粉体的XRD结果图；图3a为实施例1丝网印刷用La0.8Sr0.2CrO3的粉体SEM图，图3b为LaCrO3的粉体SEM图；图4为实施例1丝网印刷工艺制备得到的La0.8Sr0.2CrO3-LaCrO3厚膜热电偶的时间-温度-电压曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的解释说明。本专利技术的热电偶选取两种不同掺杂的铬酸镧薄膜作为薄膜热电偶的两组热电极材料，可以是同一元素掺杂，但是含量不同；也可以是不同组份元素的单一掺杂和共掺杂，掺杂元素主要为Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Cu、Sm、Fe、Ni、V等；然后按照设计好的掺杂组份，采用磁控溅射、丝网印刷或者化学旋涂工艺，在高温陶瓷基片上沉积制备可用于高温温度测量的氧化物薄膜热电偶，并采用图形化技术组成具有热电偶结构特征的器件结构，热电偶的图形化可以为V型或者U型，两个热电极之间通过部分重叠区域构成薄膜热电偶的热端重合区，重合区的长度为0.5-3cm之间，薄膜热电偶中热电极的厚度在0.3-20微米范围内，热电极的长度在8-30cm之间，每个热电极的宽度为0.2-1.55cm；最后，将制备得到的薄膜热电偶在600-1200℃高温热处理1-3小时，提高薄膜的致密度；最终获得能够在高温氧化气氛下稳定工作的氧化物薄膜型热电偶。按照化学计量法，各种元素掺杂后形成的化学式为：Mg部分取代Cr：LaCr1-xMgxO3；Ca部分取代La：La1-xCaxCrO3；Sr部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，其特征在于，包括设置在陶瓷基片上的两个热电极，两个热电极相互搭接，两个热电极的材料均采用铬酸镧薄膜，铬酸镧薄膜中掺杂有Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Cu、Sm、Fe、Ni和V中的一种或几种掺杂元素，所述两个热电极采用的铬酸镧薄膜中掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，其特征在于，包括设置在陶瓷基片上的两个热电极，
两个热电极相互搭接，两个热电极的材料均采用铬酸镧薄膜，铬酸镧薄膜中掺杂有Mg、Ca、
Sr、Ba、Co、Cu、Sm、Fe、Ni和V中的一种或几种掺杂元素，所述两个热电极采用的铬酸
镧薄膜中掺杂有不同种掺杂元素，或者掺杂有含量不同的同种掺杂元素。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，其特征在于，所述铬酸镧薄膜
中掺杂元素的含量为0-40％。
3.根据权利要求1所述的一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，其特征在于，所述两个热电极
沿陶瓷基片中心线呈镜像对称设置，两个热电极搭接形成U型结构或V型结构。
4.根据权利要求3所述的一种掺杂铬酸镧薄膜型热电偶，其特征在于，所述每个热电极
的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：史鹏，任巍，刘丹，刘明，田边，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61