Bi3+敏化YSZ:Eu高温压力敏感磷光涂层及其氧致猝灭机理研究

基本信息
批准号:51905268
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:杨丽霞
学科分类:
依托单位:南京航空航天大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
压力敏感表面压力测量功能涂层氧致猝灭热像磷光涂层
结项摘要

Surface pressure generated by the air flow velocity difference is critical parameter in configuration design and optimization of ride wave body hypersonic aircrafts. However, in wind tunnel testing, pressure sensitive paints only can offer accurate measurement of pressure parameters under the temperature of 200 ℃ due to the thermal decomposition or sublimation failure of paints at high temperature. Lack of high temperature pressure sensitive coating has become the bottleneck of hypersonic aircrafts configuration design. Based on the newly discovered oxygen vacancy induced oxygen quenching effect, the applicant put forward a high temperature pressure sensitive Bi3+ sensitized YSZ:Eu phosphor coating prepared using high temperature spray pyrolysis and air plasma spraying technique, which can be used to measure surface pressures at temperatures up to 600 °C. This has great scientific significance and strategic value. The pressure sensitivity characteristics, which include the relationship between surface pressure and luminescent lifetime/intensity, pressure sensitive and sensitive temperature region, will be studied. The role of the crystal structure and the rare earth ion doping concentration on the pressure sensitivity characteristics will also be identified. The evolution of the pressure sensitivity characteristic after thermal aging will be investigated. Then a pressure-luminescent lifetime/intensity physical model and a charge transfer state-pressure sensitivity mathematic model will be developed. Finally the basic conditions, mechanisms and influence factors of the oxygen vacancy induced oxygen quenching will be analyzed in detail. The research achievements of the present project can also provide new method for the surface pressure measurement of the compressor blade of aero engines and gas turbines. The aim of the proposed research is to provide new materials and new techniques for the high temperature surface pressure measurement in the hypersonic aircraft field.

表面空气流速差引起的表面压力是乘波体高超声速飞行器外形设计与优化的关键参数。然而风洞试验中现有压力敏感涂层因高温热解/蒸发失效问题仅能提供200℃以下的表面压力数据,缺乏耐高温压力敏感涂层成为制约高超声速飞行器设计的瓶颈。申请人基于最新发现的氧空位诱发氧致猝灭效应,提出以高温喷雾热解法和等离子喷涂技术制备的Bi3+敏化YSZ:Eu高温压力敏感磷光涂层,可实现温度高达600℃的表面压力测量,具有重大的科学意义与战略价值。重点研究磷光涂层的压力敏感特性,包括压力与磷光寿命/强度的定量关系、压力敏感度和敏感温度区间,分析晶体结构和稀土离子浓度对压力敏感特性的影响,掌握压力敏感特性在高温环境下的演化规律,构建压力-磷光寿命/强度物理模型和电荷迁移带-压力敏感特性数学模型,阐明氧空位诱发氧致猝灭效应的基本条件、机理和影响因素。本项目旨在为高超声速飞行器领域高温表面压力测量提供新材料和新技术。

项目摘要

表面空气流速差引起的表面压力是乘波体高超声速飞行器外形设计与优化的关键参数。然而风洞试验中现有压力敏感涂层因高温热解/蒸发失效问题仅能提供200℃以下的表面压力数据,缺乏耐高温压力敏感涂层成为制约高超声速飞行器设计的瓶颈。本项目基于最新发现的氧空位诱发氧致猝灭效应,提出了一种新型的Bi3+敏化YSZ:Eu高温压力敏感磷光涂层,开展了Bi3+敏化YSZ:Eu磷光的压力敏感特性研究,发现了基于电荷迁移带非辐射跃迁和基于交叉驰豫非辐射跃迁的氧空位诱发氧猝灭效应,掌握了稀土离子浓度对YSZ:Eu和YSZ:Dy磷光材料氧分压敏感特性的影响及作用机制研究和晶体结构对Bi3+敏化YSZ:Eu磷光材料氧分压敏感特性的影响及作用机制研究,明确了在高温服役后Bi3+敏化YSZ:Eu磷光涂层氧分压敏感特性的演化规律,深入揭示了氧空位诱发氧致猝灭机理,获得了Bi3+敏化YSZ:Eu高温压力敏感磷光涂层的成分设计与优化方法。在上述研究工作中通过Bi3+敏化提高了YSZ:Eu的磷光强度和氧分压敏感性,高温氧分压敏感度达到-0.371μs/kPa,并实现了300~600°C的氧分压/压力的测量,较好地完成了既定的研究目标。与此同时,本项目基于高温气动压力与温度的同步测量需求,研究了压力敏感Eu3+和温度敏感Er3+共掺杂YSZ的温度敏感特性与压力敏感特性,揭示了Eu3+与Er3+相互作用机制,构建了同步测量方法。基于项目的研究成果,已在J. Am. Ceram. Soc., Ceram. Inter.及Mater. Sci. Eng. A等陶瓷材料领域重点国际期刊发表SCI论文15篇,航空制造技术等国内核心期刊发表论文3篇,申请专利1项,修编《无机非金属材料学》(第3版)教材。本项目开发的高温压力敏感磷光涂层及其测量技术,解决了现有有机压敏漆由于高温热解/蒸发导致的无法实现≥100°C温度的气动压力测量瓶颈问题。该技术在民用与国防相关的气动压力/温度测试领域有着良好的应用前景。此外,项目进行过程中广泛开展了国内交流与国际合作,对相关领域的发展起到了促进作用。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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