Utveckling av en mikrodubbel temperatur–värmeflödesgivare med Pt tunnfilm för transienta värmemätningar upp till 1400 °C.

Att mäta extrem värme på framtida flygytor

När rymdfarkoster eller högfartsflygplan skär genom atmosfären utsätts deras yttre skal för intensiv värme på bara bråkdelar av en sekund. Att exakt känna till hur mycket värme dessa ytor utsätts för är avgörande för att förhindra att motorer, bränsletankar och skyddsskikt går sönder. Denna artikel presenterar en ny typ av liten värmeavkännande sond som kan klara temperaturer högre än många lavaströmmar och som reagerar tillräckligt snabbt för att följa plötsliga termiska chocker — ett kraftfullt verktyg för utformning av säkrare högfartsyggen.

Varför extrem värme är så svår att mäta

Ytor på hypersoniska testmodeller, turbinblad och förbränningskammare kan kortvarigt överstiga 1000 °C samtidigt som de beskjuts av höghastighetsgaser. Traditionella värmeflödessensorer — enheter som mäter hur snabbt värme strömmar in i en yta — har svårt i denna miljö. Klassiska konstruktioner är relativt stora, vilket stör luftflödet runt dem, och deras material kan oxidera eller mjukna, vilket gör att avläsningarna driver eller fallerar. Många nuvarande sensorer når gränser under cirka 1200 °C och reagerar över millisekunder eller längre, vilket är för långsamt och för ömtåligt för de kraftiga, snabba värmetoppar som ses i moderna vindtunneltester och motorforskning.

En liten pelare byggd för att tåla värme

Forskarna designade en miniatyrsond baserad på en platina (Pt) tunnfilm virad runt en 2 millimeter bred alumina (aluminiumoxid) pelare. Alumina valdes eftersom det är elektriskt isolerande, mekaniskt starkt och kan klara temperaturer upp till ungefär 1600 °C. Inuti denna keramiska pelare döljs elektriska ledare i smala kanaler, vilket skyddar ledningarna från heta, eroderande gaser och minskar elektriskt brus. På utsidan är platinumlagret mönstrat i en S-formad bana för att öka dess längd, vilket förbättrar känsligheten för temperaturförändringar samtidigt som det hålls inom ett litet fotavtryck.

En skyddande hud som förhindrar filmnedbrytning

En av de största utmaningarna för metallfilmer vid mycket höga temperaturer är att ytan långsamt kan klumpa ihop sig till öar, som vattenpärlor på glas, vilket förstör deras elektriska egenskaper. För att förhindra detta använde teamet elektrohydrodynamisk jetutskrift — en precis, bläckliknande sprutmetod — för att belägga platinan med ett anpassat alumina-skyddsskikt. Efter högtemperaturbehandling omvandlas detta skikt till en tät, stabil kristallform kallad alfa-alumina. Mikroskopi och röntgenmätningar visade att den belagda platinafilmen förblir slät och välbundet även efter upphettning till 1400 °C, medan en obelagd film utvecklar håligheter och grova ytor vid lägre temperaturer.

Hur sonden omvandlar värme till signaler

Den nya sensorn fungerar på två kompletterande sätt. För det första, när platinafilmen värms upp stiger dess elektriska resistans i en förutsägbar, nästan linjär kurva. Genom att mata en konstant ström genom filmen och följa spänningsförändringen kan temperaturen vid ytan beräknas med hög precision. För det andra kan spänningshistoriken, med hjälp av en välkänd värmeledningmodell, omvandlas till värmeflödets tidsförlopp — hastigheten med vilken energi strömmar in i ytan. Datorsimuleringar bekräftade att sondens lagerstruktur ger ett rent, nästan linjärt samband mellan inkommande värme och utsignal, medan kompressiva spänningar i filmen, upprätthållna av aluminalagren, hjälper till att hålla platinan stabil vid höga temperaturer.

Att utsätta sensorn för prövning

Teamet utsatte sedan sonden för en rad experiment. I en ugn följde platinafilmens resistans temperaturen från rumstemperatur upp till 1000 °C med utmärkt linearitet och upprepbarhet, och den skyddade versionen överlevde upp till cirka 1440 °C — ungefär 50 procent högre än obelagda filmer. Laserbaserade tester jämförde den nya sonden med en kommersiell värmeflödessensor och visade god överensstämmelse: vid den högsta testade effekten mätte den nya enheten ungefär 71 kW per kvadratmeter värmeflöde med mindre än 1,7 procent fullskalig fel och upprepbarhet bättre än 0,6 procent. Ett snabbt uppvärmningsupplägg, som efterliknade plötsliga termiska påfrestningar, visade att sonden kan svara på cirka 0,2 millisekunder och tåla värmeflöden över 3,5 megawatt per kvadratmeter, med temperaturfel under 1 procent vid kontroll mot en infraröd termometer.

Vad detta betyder för framtida högfartflyg

I enkla termer levererar detta arbete en mycket liten, mycket tålig och mycket snabb termometer som inte bara mäter temperatur utan också hur våldsamt värme slår mot en yta. Eftersom den kan överleva nära 1500 °C, reagera på mikrosekunder och tillverkas i matriser på små pelare, lämpar den sig väl för att kartlägga termiska laster på hypersoniska farkoster och motorkomponenter med hög upplösning. Denna kapacitet bör hjälpa ingenjörer att utforma mer tillförlitliga värmeskyddssystem och testa nya material under realistiska, extrema förhållanden, vilket för flygsäkerhet i hög hastighet närmare verkligheten.

Citering: 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

Nyckelord: värmeflödessensor, hypersonisk vindtunnel, platinatunnfilm, högtemperaturmätning, aluminiumsoxidkeramik