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新一代航空发动机不断向大推重比、长寿命、低油耗方向发展,航空发动机内部工作温度越来越高,也越来越接近涡轮叶片、转轴等高温部件材料的临界工作温度。随着工作时间的增加,叶片等高温部件可能会出现疲劳裂纹甚至断裂等现象,导致发动机发生故障。监测叶片等高温部件应力/应变大小可以有效检测它们的疲劳受损情况,进而及时有效预警发动机的故障。因此,研制稳定、可靠且适用于航空发动机高温、高压、强振动等恶劣工作环境的应变测量传感器具有重要意义。薄膜应变计因具有厚度薄、质量轻、准确、响应快,而且不影响被测部件表面气流场,不破坏其表面结构的优点,而易于实现与航空发动机涡轮叶片等高温部件一体化集成。为了满足航空发动机高温、高压、强振动恶劣工作环境下原位应变测试的需求,本文采用物理气相沉积方法制备由过渡层、绝缘层、敏感层和防护层等构成的多层多元结构薄膜应变计,通过多层多元薄膜结构设计和制备工艺优化,突破了多层多元薄膜结构匹配和热匹配技术、复杂表面薄膜图形化制备技术、薄膜应变计高温绝缘技术和高温防护技术等难点。采用标定技术研究了薄膜应变计高温性能,并成功应用在某型号发动机涡轮叶片上,研究了涡轮叶片的高温高周动应变特性。本研究为航空发动机涡轮叶片试验测试、故障诊断提供了一种先进的应变测试技术,对提升我国高性能航空发动机研制水平具有推动作用。主要研究内容如下:1.为了解决镍基高温合金基底与薄膜应变计之间的结构匹配和热匹配问题,研究了NiCrAlY薄膜析铝、热氧化过程,制备了金属-氧化物渐变过渡层。研究表明,金属-氧化物渐变过渡层能够有效增强基底与薄膜应变计之间的结合强度,同时热氧化生成的致密热氧化层（TGO）有利于提高薄膜应变计与基底之间的电绝缘性能。2.利用多层多元氧化物薄膜构成复合绝缘层,突破高温绝缘技术。首先,研究了YSZ、Al2O3薄膜构成的复合绝缘层,对比了单层Al2O3、双层YSZ/Al2O3和四层YSZ/Al2O3/YSZ/Al2O3复合绝缘层的绝缘性能。结果表明,四层结构YSZ/Al2O3/YSZ/Al2O3复合绝缘层具有最优的绝缘性,在800℃时绝缘电阻达到200 kΩ。主要是单层氧化物绝缘层薄膜内部存在贯穿薄膜的晶界等缺陷,高温下容易形成离子导电通道,导致绝缘电阻减小。而多层复合结构绝缘层中,因为引入绝缘层界面,不同绝缘层薄膜界面之间存在的界面势垒能够有效阻断离子导电通道,提高高温绝缘性能,并且随着绝缘层界面的增加,其绝缘电阻也进一步增加。其次,本文还研究了MgO与热氧化层（TGO）构成的TGO/MgO双层绝缘层。结果表明,TGO/MgO双层结构绝缘层在25-1000℃温度范围内都具有优异的绝缘性能,在1000℃时,其绝缘电阻达到1.5 MΩ,主要归因于结构致密的TGO/MgO薄膜在室温时电导率低,并且电导激活能小,即电导率随温度变化小,使得TGO/MgO双层结构复合绝缘层在高温环境下仍具有优良的绝缘性能。经过四次循环（单次循环时,在1000℃保温2 h）后,在1000℃的绝缘电阻仍保持0.55 MΩ,显示了良好的高温稳定性,能够满足薄膜应变计在更高温度下的电绝缘性能要求。3.采用PdCr薄膜作为应变敏感层,研究了PdCr薄膜的厚度对其方阻、电导率、电阻温度系数等电学性能及高温稳定性的影响。研究表明,随着PdCr薄膜厚度的增加,其电学性能逐渐趋于稳定。其主要原因是较厚的薄膜具有相对较少的位错等缺陷,其缺陷是高温性能不稳定的主要原因。为了进一步提高PdCr薄膜的高温稳定性,对其进行了真空退火研究,表明退火处理可以有效改善PdCr薄膜的晶体结构,进而减小高温电阻漂移,提高高温稳定。退火后,PdCr薄膜在800℃的平均电阻漂移率由-0.126%/h降低为-0.065%/h,约为未退火的一半。4.为了提高薄膜应变计的高温抗氧化性,研究了ZrO2-Al2O3/Al2O3异质多层防护层,并与单层Al2O3和复合ZrO2-Al2O3防护层进行了对比。研究表明,异质多层结构防护层的防护效果优于单层和复合防护层。其原因是Al2O3薄膜和ZrO2-Al2O3不仅具有均匀致密、无缺陷的结构,而且在界面处的界面势垒能有效阻断氧离子渗透通道,进一步提高ZrO2-Al2O3/Al2O3异质防护层的高温防护特性。5.采用静态标定法对PdCr薄膜应变计进行了应变敏感性能的标定研究。结果表明,PdCr薄膜应变计的电阻随应变呈良好的线性关系,其应变灵敏系数具有较好的重复性。PdCr薄膜应变计的应变灵敏系数随着温度升高而增大。在室温时,PdCr薄膜应变计应变灵敏系数为1.78,在800℃时升高为2.13。6.在某型号涡轮叶片上制备PdCr薄膜应变计,率先研究了涡轮叶片的高温高周动应变,并建立了基于频域处理的动应变分析方法。研究表明,PdCr薄膜应变计响应速度快、工作温度高、可靠性好,能够满足室温800℃、加速度载荷010 g、振动频率01700 Hz的工作要求。7.采用冷热冲击试验和高空台模拟试验对PdCr薄膜应变计进行了可靠性评估。PdCr薄膜应变计能够耐受多循环、高强度热冲击,在高温高压高速燃气环境下结构完整,无开裂、脱落、起皮等失效现象。测试结果表明,PdCr薄膜应变计与涡轮叶片结合强度高,在航空发动机高温、高压、强振动环境下具有较好的可靠性。8.初步研究了PdCr薄膜应变花的应变敏感性能,制备的90°应变花不仅能够测量高温下试件应变的大小,也能够测量应变的方向。此外,还制备了具有更高应变灵敏系数的铟锡氧化物（ITO,indium tin oxide）薄膜应变计,并研究了ITO敏感薄膜的制备工艺,但其在高温下的稳定性有待进一步提高。