Разработка микродатчика двойной температуры и теплового потока на основе тонкой пленки Pt для измерений при переходных тепловых воздействиях до 1400 °C.

Измерение экстремального тепла на поверхностях будущих летательных аппаратов

Когда космические аппараты или высокоскоростные самолёты прорезают атмосферу, их наружная оболочка за доли секунды подвергается интенсивному нагреву. Точное знание того, какое количество тепла испытывают эти поверхности, жизненно важно для предотвращения отказов двигателей, топливных баков и защитных покрытий. В этой работе представлен новый тип миниатюрного теплового зонда, который выдерживает температуры выше многих лавовых потоков и реагирует достаточно быстро, чтобы фиксировать внезапные тепловые удары, что даёт мощный инструмент для проектирования более безопасных скоростных аппаратов.

Почему так трудно измерять экстремальное тепло

Поверхности в моделях для гиперзвуковых испытаний, лопатках турбин и камерах сгорания могут кратковременно превышать 1000 °C, одновременно подвергаясь пескоструйной эрозии газами на высокой скорости. Традиционные датчики теплового потока — приборы, измеряющие скорость поступления тепла на поверхность — испытывают трудности в таких условиях. Классические конструкции относительно большие, что нарушает обтекание вокруг них, а материалы могут окисляться или размягчаться, что вызывает дрейф показаний или выход из строя. Многие существующие датчики ограничены температурой ниже примерно 1200 °C и реагируют в миллисекундном диапазоне или дольше, что слишком медленно и слишком хрупко для резких, интенсивных тепловых всплесков, встречающихся в современных аэродинамических трубах и исследованиях двигателей.

Миниатюрный столбик, созданный выдерживать нагрев

Исследователи разработали миниатюрный зонд на основе платиновой (Pt) тонкой пленки, нанесённой на столбик из оксида алюминия диаметром 2 мм. Оксид алюминия был выбран за его электрическую изоляцию, механическую прочность и способность выдерживать температуры примерно до 1600 °C. Внутри этого керамического столбика электрические выводы спрятаны в узких каналах, что защищает проводку от горячих эрозивных газов и снижает электрические помехи. Снаружи платиновый слой выполнен в виде S-образного узора для увеличения его длины, что повышает чувствительность к изменениям температуры, оставаясь при этом в крошечном активном участке.

Защитная оболочка, предотвращающая разрушение пленки

Одна из основных проблем для металлических пленок при очень высоких температурах — их склонность к агломерации по поверхности, как капли воды на стекле, что разрушает их электрические свойства. Чтобы предотвратить это, команда использовала электро- гидродинамическую струйную печать — точный метод напыления, подобный печати чернилами — для нанесения на платину специального защитного слоя из оксида алюминия. После высокотемпературной обработки это покрытие превращается в плотную, стабильную кристаллическую форму, называемую альфа-оксидом алюминия. Микроскопия и рентгеновские измерения показали, что покрытая платиновая пленка остаётся гладкой и хорошо адгезированной даже после нагрева до 1400 °C, тогда как непокрытая пленка при более низких температурах образует поры и шероховатости.

Как зонд превращает тепло в сигналы

Новый датчик работает двумя взаимодополняющими способами. Во-первых, по мере нагрева платиновой пленки её электрическое сопротивление предсказуемо, почти линейно, увеличивается. Подавая постоянный ток через пленку и отслеживая изменение напряжения, можно с высокой точностью вычислить температуру на поверхности. Во-вторых, используя хорошо известную модель теплопроводности, временную историю этого напряжения можно преобразовать во временную историю теплового потока — скорости, с которой энергия поступает на поверхность. Компьютерные моделирования подтвердили, что многослойная структура зонда даёт чистую, почти линейную зависимость между входящим теплом и выходным сигналом, а сжимающее напряжение в пленке, поддерживаемое слоями оксида алюминия, помогает сохранять стабильность платины при высоких температурах.

Проверка датчика в эксперименте

Затем командa подвергла зонд серии испытаний. В печи сопротивление платиновой пленки отслеживало температуру от комнатной до 1000 °C с отличной линейностью и воспроизводимостью, а защищённый вариант выдерживал температуры примерно до 1440 °C — примерно на 50 % выше, чем непокрытые пленки. Лазерные тесты сопоставили новый зонд с коммерческим датчиком теплового потока и показали хорошее соответствие: при максимально испытанной мощности новое устройство измеряло около 71 кВт/м² теплового потока с полной погрешностью ниже 1,7 % и воспроизводимостью лучше 0,6 %. Быстрая установка нагрева, имитирующая внезапные тепловые нагрузки, показала, что зонд реагирует примерно за 0,2 миллисекунды и выдерживает тепловые потоки выше 3,5 МВт/м², с погрешностями по температуре менее 1 % при проверке инфракрасным термометром.

Что это значит для будущих высокоскоростных полётов

Проще говоря, эта работа даёт очень маленький, очень прочный и очень быстрый «термометр», который измеряет не только температуру, но и интенсивность того, как сильно тепло бьёт по поверхности. Поскольку он может выдерживать температуры близкие к 1500 °C, реагировать за микросекунды и быть изготовлен в виде массивов на крошечных столбиках, он хорошо подходит для картирования тепловых нагрузок на гиперзвуковых аппаратах и компонентах двигателей с высокой детализацией. Эта возможность должна помочь инженерам проектировать более надёжные системы тепловой защиты и тестировать новые материалы в реалистичных экстремальных условиях, приближая создание более безопасных скоростных полётов к реальности.

Цитирование: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Ключевые слова: датчик теплового потока, сверхзвуковая аэродинамическая труба, платиновая тонкая пленка, измерения при высокой температуре, керамика из оксида алюминия