【摘 要】
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随着航空发动机性能的日益提高,对其内部压力进行检测和实时监控成为了人们研究的重点。但由于结构和材料的限制,传统的压力传感器无法在发动机内部高温、高压环境下工作。最近一种基于微波谐振腔的压力传感器因其具有无线无源的结构以及高温下信号传输距离远等优点,特别适合在高温高压的环境下进行压力监控,因此受到广泛关注。聚合物先驱体陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDCs)具有高的耐高温性
【基金项目】
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国家自然科学基金(51675452); 装备预研基金(6142A060403,6140923020301)
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随着航空发动机性能的日益提高,对其内部压力进行检测和实时监控成为了人们研究的重点。但由于结构和材料的限制,传统的压力传感器无法在发动机内部高温、高压环境下工作。最近一种基于微波谐振腔的压力传感器因其具有无线无源的结构以及高温下信号传输距离远等优点,特别适合在高温高压的环境下进行压力监控,因此受到广泛关注。聚合物先驱体陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDCs)具有高的耐高温性、抗腐蚀和抗辐射等特性,是应用在恶劣环境下器件的潜在优良选材。而在PDC陶瓷中PDC-SiCN由于制备工艺成熟、相关研究较为深入且介电损耗较低,特别适合作为耐高温无线无源压力传感器的材料。但是通过粉末成型并烧结后的先驱体陶瓷内部有着大量孔洞,不适合作为压力传感器的元件,而通过浸渍热解工艺(Polymer infiltration and pyrolysis,PIP)可以有效降低陶瓷的孔隙率。基于以上的背景,以聚乙烯基硅氮烷(Polyvinylsilazane,PVSZ)为先驱体,制备出PIP增强PDC-SiCN陶瓷薄膜,通过一系列实验研究了 PIP工艺对PDC-SiCN陶瓷的结构、性能的影响。同时本文还以PDC-SiCN陶瓷薄膜作为受压传感元,设计并制备了一种谐振腔式无线无源压力传感器,对压力传感器的模拟优化、加工制备、性能进行了详细研究,具体内容如下:1.利用电磁仿真模拟软件对传感器谐振腔、槽天线等进行模拟,研究各参数对传感器性能(谐振频率、品质因子)的影响。利用力学仿真模拟软件对传感器受压传感元进行模拟,研究形变和应力分布,并与电磁仿真模拟相结合确定了传感器各项参数的数值。2.以PDC-SiCN陶瓷薄膜为压力传感器的受压传感元,以304不锈钢作为压力传感器的基体,通过银胶封装制得压力传感器。通过测试传感器的谐振频率和信号强度的变化规律,验证仿真模拟的准确性。对一系列的模拟和实测数据进行对比后最终得到具有最大信号耦合效率的槽天线尺寸的选择标准。制得的优化后的无线无源压力传感器的最大测试距离为25mm,灵敏度为13.3MHz/N。3.进行一系列实验探究了浸渍热解工艺对陶瓷结构和性能的影响规律。在第一次和第二次浸渍热解中,主要现象为陶瓷内部的孔隙被PVSZ-2的热解产物所填充。在第三次浸渍热解后,陶瓷的各项性能达到或接近最佳值。在第四和第五次浸渍热解中,陶瓷薄膜的内部孔隙无法被填充导致性能不会提高,但是由于填充物在高温下继续分解以及填充物上的纳米孔洞不断长大,导致陶瓷薄膜的平均孔径增大且在填充物上出现裂纹。4.研究发现PIP增强陶瓷薄膜具有良好的气密性和强度能够满足压力测试的要求。测试发现由PIP增强陶瓷薄膜构成的压力传感器的最大循环压力从8N增加到18N,传感器的性能大幅提高。
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