2016, Vol. 24
2. 空间物理重点试验室, 北京 100076;
3. 航天科技集团公司 四院 四十四所 技术研发中心, 西安 710025;
4. 空天微纳系统教育部重点实验室(西北工业大学), 西安 710072
2. National Key Laboratory of Science and Technology on Nearspace Vehicle Technology, Beijing 10076, China;
3. R & D Center, The 44th Institute of CASC, Xi′an 710025, China; 4.Ministry of Education Key Laboratory of;
4. Micro and Nano Systems for Aerospace(Northwestern Polytechnical University), Xi′an 710072, China
超高温测量技术为飞行器在临近空间及高空飞行时结构体恶劣工作环境下的物理、结构特性评估提供重要分析依据，为保证飞行安全与稳定提供重要技术保障，在我国航空、航天技术高速发展的今天日益重要.恶劣工作环境的特点主要表现为环境温度更高(普遍达到2 000 ℃甚至达到2 500 ℃以上[1])、氧化作用更强、强电磁干扰明显以及强热震环境等.如何使温度传感器同时具备抗电磁干扰能力强、测温上限高、抗氧化、感温结构超高温环境下结构稳定的特点，是目前急需解决的一个问题.
基于黑体辐射测温原理的蓝宝石光纤温度传感器具有接触测量、精度高、响应快的优点.其相对其他高温测量手段，如热电偶测温、光纤光栅测温等，高温环境下抗氧化性强且不受电磁干扰，是当今解决超高温特种环境下航空、航天飞行器超高温测量的重要手段[2-3].然而，目前的蓝宝石光纤温度传感器受自身结构和材料的局限，其感温元件--黑体感温腔主要通过在蓝宝石单晶光纤端部镀覆烧结陶瓷薄层或溅射金属薄膜的方式制备，传感器长时间工作时，蓝宝石光纤温度与被测温度相近，因此，传感器温度测量上限不能超过黑体腔材料和蓝宝石光纤的稳定工作温度上限，现阶段黑体腔材料以及蓝宝石光纤耐温较低，只能达到1 700 ℃左右[1]，严重制约了其在超高温领域的应用与发展，无法满足当前的超高温测量需求[4-5].
针对上述问题，本文设计了一种新的超高温蓝宝石光纤传感器，在传感器测温结构和感温材料方面采用独特的设计及特性分析.在此基础上研制成功的超高温光纤温度传感器在国内首次实现了2 500 ℃以上超高温的长时间持续测量，为超高温接触式温度测量提供了一种新的解决方法.
1 超高温光纤温度传感器感温原理及结构分析 1.1 超高温光纤温度传感器感温原理为解决传统蓝宝石光纤温度传感器受蓝宝石光纤使用温度的制约，本文在传统接触式蓝宝石光纤温度传感器结构的基础上，提出了一种接触-非接触相结合的测温结构，如图 1所示.
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图 1 超高温光纤温度传感器结构示意图 Figure 1 Structure diagram of fiber temperature sensor for ultra-high temperature measurement |
图 1(a)是一种典型的传统接触式蓝宝石光纤温度传感器的结构原理示意图.测温时黑体感温腔与被测温度环境接触并达到热平衡，黑体感温腔射岀的黑体辐射信号通过耐高温蓝宝石光纤传输至低温环境，经过耦合、滤光等处理后传输至光电探测器，转换为电信号并由信号处理模块处理成对应的温度信号输出.由于整个黑体腔热容极小，且蓝宝石光纤与黑体腔直接接触，因此，测量过程中蓝宝石光纤需要承受与被测温度几乎相同的温度，在黑体腔材料可以灵活选择的前提下，蓝宝石光纤所能承受的最高工作温度就决定了传感器的温度测量上限.
图 1(b)为接触-非接触式探头结构原理示意图.该结构温度测量原理与传统接触式结构相似，采用特种耐高温材料制成独立的黑体感温腔，与被测介质直接接触，将蓝宝石光纤置于感温腔外.这种结构使得传感器工作时，蓝宝石光纤温度低于被测介质温度，从而提高传感器的测温上限.
1.2 超高温光纤温度传感器感温结构分析图 2是接触-非接触式探头结构光纤温度传感器高温测量120 s模拟仿真温度分布云图.仿真结果表明，在对2 500 ℃高温介质进行接触式测量时，黑体腔部分整体温度均在2 500 ℃左右，能够准确反映被测介质的真实温度；蓝宝石光纤安装于传感器中段，此部分温度约为1 700~1 800 ℃，略低于蓝宝石光纤劣化温度[6]，说明该结构传感器能够在2 500 ℃高温稳态环境下，长时间工作保持整体结构完整并正常反映被测介质的真实温度.
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图 2 接触-非接触式探头结构温度分布图 Figure 2 Diagram of contact-non-contact probe structure temperature distribution |
接触-非接触式探头结构能够有效降低蓝宝石光纤承受的温度，但同时会造成黑体感温腔在测温时处于非等温状态.由于蓝宝石光纤温度传感器基于黑体辐射测温原理，非等温腔的辐射并不能等效成理想黑体辐射，因此，使用传统Plank黑体辐射公式计算腔体的单色辐射出射度必然会引入一个模型误差，造成使用传统Plank黑体辐射公式计算出的温度曲线与温度基准实测数据有较大的偏差.为此，需对传统Plank黑体辐射公式(1)进行温度补偿，式(2)为经补偿修正后的温度计算公式.
| $ T{\rm{=}}\frac{{{C_2}}}{{{\lambda _0}}}{\left[{\ln \left({1+\frac{{{C_1}}}{{\lambda _0^5}}\frac{{B\left({{\lambda _0}} \right)}}{{\left({{\lambda _0}, T} \right)}}} \right)} \right]^{ - 1}}, $ | (1) |
| $ {T_{\rm{c}}}={A_1} \cdot T+{A_2} \cdot V\left({{\lambda _0}, T} \right)+{A_3}. $ | (2) |
式中：T是基于传统Plank黑体辐射公式的计算温度；V(0λ, T)为传感器的输出电压；0λ为系统中窄带滤光片的中心波长；1C和2C分别是第一、第二辐射系数；B(0λ)、1A、2A、3A的4个参数是多点标定所得补偿修正系数；Tc是修正后的温度.
根据两种算法得到的电压采样值-温度曲线如图 3所示，图中3条曲线分别为作为温度基准的点温仪实测的温度、传统Plank黑体辐射公式计算结果和补偿修正后计算结果.从图 3可以看出，相比传统Plank黑体辐射公式，补偿修正后的算法测量误差更小，更适合用于接触-非接触式结构传感器的标定和温度计算.
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图 3 两种算法得到的电压-温度曲线 Figure 3 The voltage-temperature curves of two algorithms |
在接触-非接触探头结构中，黑体感温腔作为传感器敏感元件，直接与被测温度环境接触，输出与被测温度相关的黑体辐射信号，对传感器的测量精度、响应速度以及长期稳定性具有重要影响.由于感温腔工作过程中需要与恶劣环境长时间直接接触，感温腔除了应具备良好的温度敏感特性外，还应具备对剧烈热震、高温含氧等恶劣环境的适应性.
根据超高温传感器的工作原理和工作环境，感温材料应具备的性能见表 1所示.其中高温稳定性和高温抗氧化性是最重要的两种特性.
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表 1 感温材料性能要求说明 Table 1 Thermal material performance requirements |
耐高温材料的选取依据上表列出的材料性能要求，目前常用于2 000 ℃以上高温环境的超高温材料主要包括难熔金属、陶瓷基复合材料以及C/C复合材料[7].
2.1 难熔金属难熔金属及其合金具有熔点高、耐高温，以及良好的抗热震性、塑性好等特点，表 2所示为几种可以达到超高温材料使用温度的难熔金属[6].
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表 2 几种难熔金属的熔点、沸点和密度[6] Table 2 Melting point, boiling point, and density of several refractory metal materials |
虽然，表 2中前4种材料均表现了较高的熔点，但其材料抗氧化较差，如钨W、铼Re在2 000 ℃时即发生氧化[7].相对而言，铱的熔点较低为2 410 ℃，具备高温下优良的热强度和热稳定性能，既满足高熔点又具备很强抗氧化性.原因是铱在高温下具有低氧渗透率，熔点下的蒸气压非常低，在高温环境时抗氧化性仍很好，氧化挥发速率很低，其氧化速率比铼低3个数量级[8].因此，铱合金初步符合超高温环境下对感温材料的特性要求.
2.2 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料具有优异的物理性能，尤其是以硼化铪(HfB2)、硼化锆(ZrB2)为代表的超高温硼化物，具有高熔点、高硬度以及高导热率.
关于硼化物的抗氧化行为，研究表明，在氧化过程中，硼化物的表面会在约1 100 ℃下产生液态B2O3保护层，而B2O3在1 000 ℃以上就开始快速蒸发，当达到B2O3沸点(1 860 ℃)时，保护层会出现大空位和通道，使硼化物界面发生氧化.加入SiC可以显著提高硼化物的抗氧化性能，在高温时形成玻璃相的硅酸盐来覆盖材料的表层，具有良好的保护作用.如美国的NASA中心开发了以HfB2和ZrB2为基体，添加少量SiC的复合材料，包括HfB2-SiC、ZrB2-SiC复合材料，经测试材料的熔点均超过3 000 ℃，并具备良好的抗氧化性能[9].
研究人员对陶瓷基复合材料的性能进行了充分的测试.ZHANG等测试了空气环境下ZrB2-SiC-G超高温陶瓷材料拉伸强度, 研究表明该材料在1 750 ℃下的拉伸强度为21.8 MPa[10]；NEUMAN等研究了室温~2 300 ℃范围内ZrB2陶瓷弯曲强度与弹性模量随温度的变化规律[11]，并研究了高温空气条件下ZrB2/SiC材料的力学性能，包括强度、模量和断裂韧性，结果显示在1 000~1 500 ℃范围内，力学性能呈线性降低趋势，材料在1 200 ℃以上会存在氧化损伤[12].此外，NEUMAN等还针对ZrB2/SiC/B4C陶瓷材料，研究了室温~2 200 ℃内其弯曲强度、模量和断裂韧性随温度的变化规律，发现1 800 ℃时材料力学性能明显降低，这主要取决于材料的微观结构[13]；ORLOVSKAYA等测得ZrB2/SiC在室温下的弯曲强度最大可达到674 MPa[14].
近年来，随着研究人员对陶瓷基复合材料增韧机理认识的不断提高，陶瓷基复合材料在剧烈温度变化条件下的机械强度也有了较大的增强，更易于满足抗热震要求[15]；爆炸压实等制备工艺的成熟进一步提高了陶瓷基复合材料的致密度，进而可提高材料韧性[16]；ASL[17-18]、LIN[19]等人的研究表明热压或烧结温度、速度、压力等会影响材料性能(强度、密度、韧性、抗热冲击性能)；优化组分、设计结构等措施也成为陶瓷复合材料增韧的主要途径[20].
因此，本文将HfB2-SiC，ZrB2-SiC复合材料作为传感器感温元件的备选材料.
2.3 C/C复合材料C/C复合材料虽具备高温下强度高、良好的烧蚀性能等特点，但在高温下易氧化、热导率低、不易加工[7]，故认为不适合作为传感器感温材料.
综上分析认为，铱合金、ZrB2基复合材料以及HfB2基复合材料满足既具备高温稳定性又具备较好的高温抗氧化性，适合作为超高温传感器的备选感温材料.
3 超高温传感器感温材料特性试验感温材料特性试验从材料的特殊使用环境出发，本文分别设计了抗热震性试验和抗氧化烧蚀试验，对铱合金、ZrB2基复合材料以及HfB2基复合材料进行测试.按照传感器实际结构制备试验样件，试验过程中通过Modline 5R-3015型红外测温仪测量试验中样件表面温度，试验方法如下.
1)抗热震性试验：剧烈热震引起的感温腔结构破坏将会直接导致传感器失效，故模拟传感器实际应用受到的温度冲击设计实验，对备选材料的抗热震性进行试验验证.采用等离子焰作为热源，通过调节氩气、氮气流量及电压，迅速调节热源的热流密度.试验时，首先将试样加热到2 200 ℃，而后迅速降低热源的热流密度，将试样温度降至800 ℃，待样件冷却后，迅速增大热源的热流密度，将试样温度升高至2 200 ℃，随后再降低，共循环5次，最后试件在大气环境自然冷却，试验结束后检测样件结构是否完整，有无开裂或微裂纹迹象.
2)抗氧化烧蚀性能试验：材料的氧化将严重改变材料的发射率特性，导致传感器不能准确测温，烧蚀则也会影响传感器的结构完整.参照标准“GJB 323A-1996烧蚀材料烧蚀试验方法”建立氧-乙炔烧蚀试验方法和试验装置.试验时，首先调节试样中心，使其对正氧-乙炔喷嘴位置.转变方向点燃并调节氧-乙炔火焰.火焰调节好后迅速转回，对准样件，样件突然受到高温燃气流喷吹，形成烧蚀环境，每次烧蚀时间10 min，试验后观察样件表面氧化状况，打磨掉氧化层后测量样件烧蚀量，评估材料的抗氧化烧蚀性能.试验过程中，调节氧气/乙炔流量，在不同火焰温度、不同气体流量下进行测试，模拟传感器实际使用中遇到的不同高温气流环境.
3.1 抗热震性试验试验过程中，最高温度约为2 200 ℃，3种材料样件无严重熔化现象，整体结构保持完好，试验过程照片如图 4所示.
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图 4 抗热震试验 Figure 4 Thermal shock test |
试验后检查样件结构是否完整，结果表明，5次温度循环试验后，铱合金样件外观无明显裂纹，仅有高温烧蚀痕迹，结构完整无损坏，如图 5(a)所示，说明铱合金在试验温度范围内具有良好的抗热震性，这也是难熔金属的特有性能优点.ZrB2-SiC复合材料样件在第3次热震循环时已出现裂纹迹象，试验结束后发现样件纵向出现较明显裂纹，且有部分脱落，如图 5(b)所示，说明ZrB2-SiC复合材料样件经受5次热震后，结构稳定性发生较大破坏.HfB2-SiC复合材料样件在试验过程中无明显裂纹迹象，试验结束后整体结构仍保持完好，无明显裂纹，仅沿纵向有数条微裂纹迹象，如图 5(c)所示，说明经过5次温度循环，样件微观结构已开始发生破坏，但整体结构仍保持完整.
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图 5 抗热震试验后样件外表面形貌 Figure 5 The samples′s surface morphology after thermal shock tests: (a) Iridium alloy; (b)ZrB2-SiC; (c) HfB2-SiC |
抗氧化烧蚀性能试验结果表明，在1 500~1 700 ℃较低的温度环境下，3种材料样件氧化烧蚀较慢，试验结束后，样件结构整体完好，表面有白色氧化物生成，烧蚀量均小于0.1 mm.随着试验温度达到1 800 ℃以上，尤其是超过2 000 ℃后，以及氧气流量的增加，3种样件氧化状况均有加剧，如表 3所示.
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表 3 不同条件下3种材料样件烧蚀量对比 Table 3 Ablation volume comparison of three material samples under different conditions |
上述结果表明：在1 700 ℃以下的试验中，3种材料均表现了较为良好的抗氧化性.随着温度达到1 800 ℃以上及含氧量的增加，3种材料的氧化状况均有不同程度的加剧，其中HfB2-SiC复合材料的抗氧化性最好，ZrB2-SiC复合材料、铱合金材料较差.
综上分析认为，HfB2-SiC复合材料具备较好的抗热震性能和抗氧化烧蚀性能，最接近实际应用环境的要求，且自身熔点在3 000 ℃以上，适合作为2 000 ℃以上超高温光纤温度传感器的感温元件材料.
3.3 传感器超高温测试在上述试验测试的基础上，使用HfB2-SiC、ZrO2-SiC复合材料分别作为传感器感温材料和热防护材料完成了超高温光纤温度传感器原理样机的研制，如图 6所示.试验测试表明该传感器对2 500 ℃高温介质进行长时间接触式测量并保持结构稳定，测量精度达到±1%，测试数据如表 4所示.
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图 6 超高温温度传感器原理样机 Figure 6 Principle prototype of ultra-high temperature sensor |
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表 4 超高温温度传感器测试数据 Table 4 Test data of Ultra-high temperature sensor |
1)提出了一种新型的蓝宝石光纤温度传感器感温结构，对接触-非接触探头结构进行了特性分析，结果表明改进后的结构实现了传感器测温上限的提升.
2)通过理论分析和试验验证对传感器感温材料特性进行了性能比较，试验结果表明HfB2-SiC复合材料符合2 000 ℃以上超高温光纤温度传感器的感温元件材料的需求.
3)研制了新型超高温光纤温度传感器，在国内首次实现了2 500 ℃以上超高温长时间测量，为超高温接触式温度测量提供了一种新途径.
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