一种基于HTCC的高温热流传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于HTCC的高温热流传感器及其制备方法，根据热电堆热流传感器的敏感机理，在氮化铝生瓷带上设置多个填充孔将多个热电偶进行集成，增加了热电偶的排布密度，增大了热电偶的输出电势，同时大大提高了传感器的测试灵敏度；根据耐高温材料的热传导系数的不同，选择氮化铝作为传感器结构的基底及中间层的介质材料，氮化铝材料、铂/15%铱合金、钯金这三种材料的选择使得传感器的响应时间得到大大的提升；制造工艺简便，灵敏度高、响应块、稳定性好，安装比较方便，可以实现航天飞行器及发动机内部等高温、大热流环境中的热流量的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于HTCC的高温热流传感器及其制备方法
本专利技术涉及热流传感领域，尤其涉及一种基于HTCC的高温热流传感器及其制备方法。
技术介绍
现代战争对飞行器高速、高精度、高机动性的作战性能要求，引发世界各国竞相开展超声速飞行器的研制工作。随着超声速飞行器飞行速度的大幅度提高，由气动加热产生的高温热流环境变得越来越严酷。航空航天飞行器前锥端部、燃烧室以及排气口等部位会出现高于1200℃的局部高温区及大热流环境。在极端恶劣的超高温、大热流环境条件下，进行航空航天飞行器表面及其发动机燃烧室内部的热流监测，对于航空航天飞行器结构设计、安全性能以及部件寿命有着至关重要的作用。航空航天飞行器及其发动机不仅处于高温、大热流的恶劣环境，而且伴有高旋、振动、离心力以及复合运动等复杂环境，在气动性方面，对加装的测试设备在重量、体积等各方面均有严格的限制，在不影响其原气动特性及受载情况下，对实现航空航天飞行器表面以及航空发动机内部热流特性参数的实时、精确测量提出了巨大挑战。现有的面向高温、大热流极端环境下应用的热流传感器主要包括圆箔式热流传感器及薄膜式热流传感器。圆箔式热流传感器存在的局限性为：灵敏度系数较低，响应时间较长，不适合检测瞬态热流；且该类传感器在高温环境下使用时，需采用水冷方式，体积较大。而薄膜式热流传感器由于是采用二维平面布局，在一定的面积内相对于三维结构只能集成较少的热电偶，灵敏度较低，难以满足在超高温（＞1000℃）恶劣环境下测试的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于HTCC的高温热流传感器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，包括：提供第一至第四氮化铝生瓷带，并在除第一氮化铝生瓷带外的其他氮化铝生瓷带上打孔形成相应的呈阵列设置的填充孔；在第二氮化铝生瓷带上靠近对角位置的两个填充孔的孔边缘设置热电偶连线，将所述第一氮化铝生瓷带作为基底和第二氮化铝生瓷带进行叠片得到第一氮化铝生瓷带叠片，并在第二氮化铝生瓷带的填充孔中填充钯金浆料；将第三层氮化铝生瓷带贴于第一氮化铝生瓷带叠片进行叠片得到第二氮化铝生瓷带叠片，在第三氮化铝生瓷带的每一填充孔中，沿孔壁平行且不连接的分别填充钯金、铂/15%铱合金浆料，二者与第二氮化铝生瓷带填充孔中的钯金接触；将第四层氮化铝生瓷带贴于第二氮化铝生瓷带叠片进行叠片，在第四氮化铝生瓷带的每一填充孔中填充钯金浆料；其中，第四氮化铝生瓷带每一填充孔中的填充金属与第三层氮化铝生瓷带相邻两个填充孔中的两种金属接触，得到含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片；将含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片进行压层、切割及高温烧结，得到高温热流传感器。其中，在向第二、第三和第四层氮化铝生瓷带的填充孔中填充金属浆料的步骤之后，还包括高温烘干，及置于显微镜操作台下进行结构的观察与修正的步骤。其中，高温烘干的温度为100℃，时间为10min。其中，在对含有阵列热电堆结构的氮化铝生瓷带进行层压的步骤之后，包括步骤：将层压完成后的氮化铝瓷片利用硅胶膜包裹，设置层压机温度为70℃，静压大小为21MPa，将包裹后的含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片置于层压机中进行等静压层压，层压时间为20min。其中，在进行高温烧结的步骤中，是对从氮化铝瓷片上切割后的每一个独立的阵列热电堆传感结构置于有氢气保护的高温炉中进行高温共烧。其中，氮化铝生瓷带上的填充孔均为方形孔。其中，在提供四种不同厚度的方形氮化铝生瓷带的步骤中，包括步骤：将氮化铝粉末、水、分散剂按照一定的配比混合，以氨水调节体系的PH值为9.0，并进行第一次的球磨，时间为24小时；加入粘结剂和塑化剂进行第二次球磨混合，加入除泡剂进行真空除泡，制得坯片；调节流延机的刀口高度和流延速度，对坯片进行干燥和脱膜处理获得四种不同厚度的流延片，并将流延片进行切片。其中，在设置热电偶连线的步骤中，是利用丝网印刷技术，在第二氮化铝生瓷带对角位置的填充孔边缘使用铂金刷制形成热电偶连线，且热电偶连线与填充孔内设置的金属连接。本专利技术的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于HTCC的高温热流传感器，高温热流传感器是通过前述技术方案所述的高温热流传感器的制备方法制得。其中，第一、第二、第三和第四氮化铝生瓷带的厚度分别为100μm、20μm、100μm和20μm。区别于现有技术，本专利技术的基于HTCC的高温热流传感器的制备方法根据热电堆热流传感器的敏感机理，在氮化铝生瓷带上设置多个填充孔将多个热电偶进行集成，增加了热电偶的排布密度，增大了热电偶的输出电势，同时大大提高了传感器的测试灵敏度；根据耐高温材料的热传导系数的不同，选择氮化铝作为传感器结构的基底及中间层的介质材料，氮化铝材料、铂/15%铱合金、钯金这三种材料的选择使得传感器的响应时间得到大大的提升；制造工艺简便，灵敏度高、响应块、稳定性好，安装比较方便，可以实现航天飞行器及发动机内部等高温、大热流环境中的热流量的检测。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法的工艺流程示意图；图2是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法的流程示意图；图3是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器的整体结构及第四氮化铝生瓷带的正面俯视图；图4是本专利技术提供的图3中的A-A截面的结构示意图；图5是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器中的每一个热电偶单元结构的侧视结构图；图6是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器中的第三氮化铝生瓷带的俯视示意图；图7是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器中的第二氮化铝生瓷带的俯视示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。参阅图1-图2，图1是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法的工艺流程示意图；图2是本专利技术提供的一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法的流程示意图。该方法的步骤包括：S110：提供第一至第四氮化铝生瓷带，并在除第一氮化铝生瓷带外的其他氮化铝生瓷带上打孔形成相应的呈阵列设置的填充孔。提供四种不同厚度的方形氮化铝生瓷带，具体可直接用成品，或者制备氮化铝生瓷带。具体制备方式是：将氮化铝粉末、水、分散剂按照一定的配比混合，以氨水调节体系的PH值为9.0，并进行第一次的球磨，时间为24小时；加入粘结剂和塑化剂进行第二次球磨混合，加入除泡剂进行真空除泡，制得坯片；调节流延机的刀口高度和流延速度，对坯片进行干燥和脱膜处理获得四种不同厚度的流延片，并将流延片进行切片。通过切片，得到四种不同厚度的氮化铝生瓷带，本专利技术其中一种实施方式中，四种氮化铝生瓷带的厚度分别为100μm、20μm、100μm和20μm。在第二、第三和第四氮化铝生瓷带上打孔形成填充孔，在本专利技术中，设置于氮化铝生瓷带的填充孔均呈阵列设置，且填充孔的截面优选为方形，每一氮化铝生瓷带设置为边长9寸的正方形。S120：在第二氮化铝生瓷带上靠近对角位置的两个填充孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，其特征在于，包括：提供第一至第四氮化铝生瓷带，并在除第一氮化铝生瓷带外的其他氮化铝生瓷带上打孔形成相应的呈阵列设置的填充孔；在第二氮化铝生瓷带上靠近对角位置的两个填充孔的孔边缘设置热电偶连线，将所述第一氮化铝生瓷带作为基底和第二氮化铝生瓷带进行叠片得到第一氮化铝生瓷带叠片，并在第二氮化铝生瓷带的填充孔中填充钯金浆料；将第三层氮化铝生瓷带贴于第一氮化铝生瓷带叠片进行叠片得到第二氮化铝生瓷带叠片，在第三氮化铝生瓷带的每一填充孔中，沿孔壁平行且不连接的分别填充钯金、铂/15%铱合金浆料，二者与第二氮化铝生瓷带填充孔中的钯金接触；将第四层氮化铝生瓷带贴于第二氮化铝生瓷带叠片进行叠片，在第四氮化铝生瓷带的每一填充孔中填充钯金浆料；其中，第四氮化铝生瓷带每一填充孔中的填充金属与第三层氮化铝生瓷带相邻两个填充孔中的两种金属接触，得到含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片；将含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片进行压层、切割及高温烧结，得到高温热流传感器。

【技术特征摘要】
2018.03.12 CN 20181019949341.一种基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，其特征在于，包括：提供第一至第四氮化铝生瓷带，并在除第一氮化铝生瓷带外的其他氮化铝生瓷带上打孔形成相应的呈阵列设置的填充孔；在第二氮化铝生瓷带上靠近对角位置的两个填充孔的孔边缘设置热电偶连线，将所述第一氮化铝生瓷带作为基底和第二氮化铝生瓷带进行叠片得到第一氮化铝生瓷带叠片，并在第二氮化铝生瓷带的填充孔中填充钯金浆料；将第三层氮化铝生瓷带贴于第一氮化铝生瓷带叠片进行叠片得到第二氮化铝生瓷带叠片，在第三氮化铝生瓷带的每一填充孔中，沿孔壁平行且不连接的分别填充钯金、铂/15%铱合金浆料，二者与第二氮化铝生瓷带填充孔中的钯金接触；将第四层氮化铝生瓷带贴于第二氮化铝生瓷带叠片进行叠片，在第四氮化铝生瓷带的每一填充孔中填充钯金浆料；其中，第四氮化铝生瓷带每一填充孔中的填充金属与第三层氮化铝生瓷带相邻两个填充孔中的两种金属接触，得到含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片；将含有阵列热电堆结构的氮化铝瓷片进行压层、切割及高温烧结，得到高温热流传感器。2.根据权利要求1所述的基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，其特征在于，在向第二、第三和第四层氮化铝生瓷带的填充孔中填充金属浆料的步骤之后，还包括高温烘干，及置于显微镜操作台下进行结构的观察与修正的步骤。3.根据权利要求2所述的基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，其特征在于，高温烘干的温度为100℃，时间为10min。4.根据权利要求1所述的基于HTCC的高温热流传感器的制备方法，其特征在于，在对含有阵列热电堆结构的氮化铝生瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭秋林，郭彦杰，董和磊，张磊，吕文，熊继军，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14