高温结构件状态检测用无线无源传感器研究

. LGS and AlN Piezoelectric thin films, which can work at high temperature, will be deposited onto the blade of aircraft engine. Battery free wireless sensors based on surface acoustic wave (SAW) resonator will be fabricated. The properties of piezoelectric thin films, the mode of SAW resonator, the design of compact antennas, the performance of the sensor will be studied. The Q-value of the resonators will be improved. The surface mass sensitivity will be diminished. The status of blade will be analyzed. It is expected to explore a route of battery free wireless sensor not only for aircraft engine design, but also for in-situ structure healthy monitoring.

. 本项目拟将高温压电材料（LGS和AlN）以薄膜的形式沉积在航空发动机压气机叶片表面，并研制与叶片一体化集成的高温无线无源传感器。通过对集成敏感薄膜材料界面特性、表声波谐振器谐振模式、多参量作用下的传感器信号分析等关键科学问题研究，解决谐振器品质因子的改善、传感器表面质量敏感特性的消除、传感信号的有效提取等关键技术，探索出高温工作的无线无源传感器技术方案，不仅为航空发动机叶片状态检测提供先进传感手段，还为发动机叶片结构健康状态的实时监控提供技术基础。

通过本项目研究，已掌握了航空发动机压气机测试所需要的无线应变传感器研制关键技术，在与叶片一体化集成薄膜制备技术方面，通过NiCrAlY合金薄膜及其热氧化层的引入，改善了薄膜传感器材料的附着力；通过倾斜沉积Al2O3绝缘层薄膜，有效释放了Al2O3绝缘层薄膜的内应力，从而为本项目传感器研制奠定了关键的材料科学基础。在表面声波谐振器设计及研制方面，通过对器件结构的仿真，揭示了压电薄膜厚度对其谐振模式的影响规律，并优化了表面声波谐振器研制工艺，为本项目传感器研制奠定了器件设计及工艺基础。项目采用开槽的平面倒F微带天线，成功将天线尺寸降低到与叶片一体化集成所要求的水平。项目还建立了高温无线应变测试平台，并对所研制无线应变传感器在高温下的静态应变响应特性进行了测试，测试结果显示：所研制无线应变传感器性能良好，可在823 K下正常工作，测试精度小于2%，频率偏移对应变响应的线性度达到99.98%。为了改善所研制无线传感器在高温下长时间工作的性能稳定性，项目通过在传感器表面引入AlN压电薄膜防护层，在不降低传感器性能的前提下，有效改善了传感器在高温下的性能稳定性。本项目传感器性能通过了由航空发动机测试领域专家所组成测试小组的现场测试确认，在此基础上，中航工业集团中国燃气涡轮研究院进一步对项目所研制无线应变传感器进行了部件试验考核，考核结果显示：本项目所研制无线应变传感器可以应用于高温下金属结构件的应变测试。目前，正与中国燃气涡轮研究院合作，开展本项目传感器在某型航空发动机中的试用考核，因此，本项目研究成果为我航空发动机测试提供了重要技术支持。. 在基础研究成果方面，共发表刊物论文28篇，其中，国外刊物论文23篇，国内刊物论文5篇；获授权中国发明专利2项，4项中国发明专利申请待审。培养博士研究生4名，培养硕士研究生5名；获2016年度国防科技二等奖。