水下精细流动剪压测敏薄膜技术

For ocean exploration, underwater flow measurement is essential to increase environmental monitoring and survivability of underwater vehicles. However, only velocity, depth, temperature and salinity can be detected onboard at present. So there is an imperious demand for precise underwater flow measurement...In this project, a new type of smart skin with micro/nano sensor array is proposed for underwater flow measurement. Distributed wall shear stress and pressure fluctuations along outer wall surface of underwater vehicles can be detected simultaneously with this smart skin. Nanowires/tubes will replace the traditional deposited metal thin film used as thermosensitive elements. For the size effect of nanostructures the sensitivity and response frequency will be enhanced while measuring wall shear stress. Also, nano-composite piezoelectric polymer will be studied to detect underwater pressure fluctuations. The main research contents include understanding the interaction between flows with the wall, sensor’s structural design, microfabrication processes development, and system integration. And the new smart skin to be applied on outer wall surface of underwater vehicles for flow detection will be tested and calibrated in water tunnels.

水下航行器对实时水环境测试有迫切需求，这对提高水下探测能力、战场监测及其生存能力有重要意义。然而，目前仅能在线获取速度、深度、温度、盐度等宏观量，尚无手段支持精细流动动态分布测试。. 面向我国海洋战略水下精细流动分布测量需求，借助MEMS和纳米技术，提出并研究可分布测量剪应力与脉动压力的全柔性薄膜。研究复杂水环境器件流场多域耦合、纳结构力敏增强机理、柔性集成薄膜设计规律、可控微加工技术、柔性封装等关键科学技术问题，并开展性能表征与水下测试试验，为水下环境监测、流动研究、航行器智能化发展等提供新型重要器件基础支持。

为提升未来航行器水下安全性、隐蔽性、机动性等能力，必须具备水体环境动态感知能力。壁面剪应力和脉动压力是反映流动特性的两个重要物理量。剪应力受流体粘性作用和边界层内速度梯度影响，是主要的摩擦阻力；而脉动压力由边界层内速度扰动引起，是流噪声的主要来源。因此，实现其准确测量，可以为边界层流动机理研究、航行器性能优化提供重要的数据支撑。然而，剪应力和脉动压力产生与作用效果不同，单一器件无法实现同时测量。为满足小量值、高动态的壁面剪应力与脉动压力测试需求，本项目提出基于纳米材料的微传感器制造技术以提高测试性能，开展了碳纳米管热膜剪应力微传感器和钒掺杂氧化锌薄膜脉动压力微传感器设计制备、性能测试以及应用试验等相关工作。.开发了高电阻温度系数碳纳米管复合薄膜。通过研究不同热处理条件对碳纳米管复合薄膜表面形貌、微观结构和化学组分变化的影响规律，揭示了复合薄膜内微观性质与电阻温度系数变化的可调控机理。薄膜电阻温度系数可达到11000ppm/℃，是当前已报道同类型热敏剪应力传感器的最高值。碳纳米管热膜微传感器在恒流模式下输出电压与剪应力1/3次方呈负相关，灵敏度介于1.42mV/Pa -8.43mV/Pa，相较于镍金属热膜提高了一个数量级，大幅提高了传感器灵敏度。基于粒子掺杂方法，研究并确定了钒粒子掺杂对氧化锌薄膜压电系数/介电常数（品质因数）影响规律，钒粒子掺杂浓度为2at.%时，薄膜具有最高的品质因数约为6.2，其中压电系数为103.8pm/V，相对介电常数为16.6。在10Hz-10kHz范围内，传感器最高响应灵敏度为-179.3dB（re 1V/uPa），是当前已报道同类型压电器件的最高指标。.开展了两类微传感器的阵列集成与柔性封装设计，进行了基于柔性条带贴附于平板模型的水洞应用试验，建立了基于微传感器平均电压变化量与标准差变化的流动识别方法。流动转捩时两类传感器的平均电压变化量和标准差出现陡增趋势，频率位于100Hz-1000Hz的脉动分量明显增强，压力脉动的强度相较于剪应力高出10dB。测试结果验证了两类传感器具有良好的流动测量性能，对航行器减阻降噪性能优化具有重要的科学研究和工程应用价值。