2023年10月，2023级硕士生魏宏成在厦门大学航空航天学院275会议室分享了基于辉光放电的等离子体薄膜风速计的制备研究——聚合物前驱体陶瓷薄膜等离子体风速计的制备与性能研究。

硕士魏宏成汇报研究进展

在航空发动机的常见故障中，由叶片失效引发的故障占比高达70%以上。压气机是航空发动机的重要组成部分，其内部叶片数量众多，对压气机叶片工作状态的检测有利于提高压气机的安全性和可靠性。而压气机叶片的常见故障，如喘振、颤振、烧蚀、腐蚀等都与叶片近壁面流速密切相关。因此，压气机叶片表面的流速测量对其健康维护与故障预测极为重要。压气机叶片服役于高温、高压、高流速的流场中，失速、喘振的发生通常伴随着叶片近表面流速的急剧变化，同时有高频的扰动产生，并在几毫秒内迅速造成压气机的失稳。因此，压气叶片表面流场的测试对风速计提出了以下要求：（1）耐高温（600℃以上）且对温度不敏感；（2）大量程（150m/s~300m/s）；（3）响应速度快（几毫秒）；（4）高频响（200kHz以上）；（5）传感器体积小。

现有的近壁面流速测量技术，如MEMS流速传感器、高频压力传感器、可用于曲面的电子蒙皮、光学测量技术都由于其自身的局限性无法应用于压气机叶片表面流速的测量。因此亟需基于新原理的流速测量技术的出现。

基于辉光放电的等离子体薄膜风速计由于耐高温、量程大、频响高、体积小，且对温度不敏感等优异特性，为压气机叶片表面流场测试提高了可能性。目前的等离子体薄膜风速计采用PVD工艺制备的ITO等离子体薄膜风速计电极耐烧蚀性能较差，从而导致风速计的信号重复性差、使用寿命短。此外，PVD工艺使用成本较高，制备周期长，材料热稳定性差，需要对其制备工艺和材料进行优化。

方案一  电极保护层

在电极表面增加一层保护层，通过保护层的损失来代替电极的损失。但保护层的存在使得辉光放电变为介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD），DBD的击穿电压和维持放电的电压很高，导致电极的溅射速度不降反增 。

方案二 优化制备工艺、电极材料

PDC工艺的优势

p局部保护：电极中掺杂的ITO粉末被SiCN陶瓷包裹，形成壳核结构，可起到局部保护的作用；

p优异的高温特性：耐腐蚀、抗氧化、高温热稳定性（耐温超过1400℃）；

p优异的力学性能：改进后致密非晶态PDC-SiCN 的硬度可达 16GPa，耐冲刷；

p优异的加工成型特性：简单、快速、低能耗。

电极材料的选择

   选择了溅射阈值高，电阻率低（10-4 ~10-3 Ω·cm），耐温高（可达1200℃）的氧化物半导体ITO作为前驱体陶瓷的填料。

等离子体薄膜风速计目前存在的问题

方案一

不同配比聚合物前驱体陶瓷薄膜等离子体风速计的静态标定

结论：

p经过重复实验证明，采用PDC工艺的ITO电极耐烧蚀性能显著优于磁控溅射的ITO薄膜电极（原因：壳核结构）；

p粒径为50nm的ITO制备的PDC薄膜等离子体风速计的耐烧蚀性能优于其它粒径，原因为SiCN陶瓷对于小粒径的ITO形成更好的包裹；

pITO质量分数的降低，Si、C、N元素含量增加，即SiCN陶瓷含量增加，从而形成更好的壳核结构，保护ITO不被溅射；

p随着ITO质量分数的增加，薄膜的致密度提高（孔隙率降低），但是考虑到SiCN陶瓷的保护作用，采用粒径为50nm的ITO粉末、60wt%配比更优；

p不同配比的PDC薄膜风速计的传感器性能基本无太大差异。

文 魏宏成   肖威

图 魏宏成 王小文