Geçici ısı ölçümleri için Pt ince film kullanılarak mikro çift sıcaklık–ısı akısı algılama probunun geliştirilmesi, 1400 °C'ye kadar.

Geleceğin Uçuş Yüzeylerinde Aşırı Isıyı Ölçmek

Uzay araçları veya yüksek hızlı uçaklar atmosferde hızla yol alırken, dış yüzeyleri saniyelerin kesirleri içinde yoğun ısıya maruz kalır. Bu yüzeylerin ne kadar ısıya dayanabildiğini kesin olarak bilmek, motorlar, yakıt tankları ve koruyucu kaplamaların arızalanmasını önlemek için hayati önem taşır. Bu makale, birçok lav akışından daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen ve ani termal şokları izleyebilecek kadar hızlı yanıt veren yeni bir tür küçük ısı algılama probunu tanıtıyor; bu da daha güvenli yüksek hızlı araçlar tasarlamak için güçlü bir araç sunuyor.

Aşırı Isının Ölçülmesini Neden Bu Kadar Zorlaştırıyor?

Hipersonik test modellerindeki yüzeyler, türbin kanatları ve yanma odaları yüksek hızlı gazların kumlama etkisi altında kısa süreliğine 1000 °C'yi aşabilir. Isı akısı sensörleri—bir yüzeye ne kadar hızlı ısı aktığını ölçen cihazlar—bu ortamda zorlanır. Klasik tasarımlar nispeten büyük olup, etraflarındaki akışı bozabilir ve malzemeleri oksitlenebilir veya yumuşayabilir; bu da ölçümlerde sapma veya arıza yaratır. Mevcut birçok sensör yaklaşık 1200 °C civarında sınırlandırılmıştır ve tepki süreleri milisaniye veya daha uzun olup, modern rüzgâr tüneli testlerinde ve motor araştırmalarında görülen keskin, yoğun ısı sıçramaları için çok yavaş ve kırılgandır.

Isıya Dayanacak Mini Bir Sütun

Araştırmacılar, 2 milimetre genişliğinde bir alümina (alüminyum oksit) sütunun üzerine sarılmış platin (Pt) ince filme dayanan mini bir prob tasarladı. Alümina, elektriksel yalıtkanlığı, mekanik dayanımı ve yaklaşık 1600 °C'ye kadar dayanabilmesi nedeniyle seçildi. Bu seramik sütunun içinde elektrik bağlantıları dar kanallarda gizlenmiş; bu, kabloları sıcak, aşındırıcı gazlardan korur ve elektriksel gürültüyü azaltır. Dışta, platin tabaka duyarlılığı artırmak için S şeklinde desenlenmiş; bu, uzunluğunu artırarak sıcaklık değişimlerine karşı hassasiyet sağlar ve aynı zamanda küçük bir alanda kalmasını mümkün kılar.

Filmin Bozulmasını Önleyen Koruyucu Bir Kılıf

Metal filmlerin çok yüksek sıcaklıklarda karşılaştığı başlıca zorluklardan biri, yüzeyin zamanla adacıklar halinde kümelenmesi—cam üzerinde su damlacıkları gibi—ve bunun elektriksel davranışı bozmasıdır. Bunu önlemek için ekip, elektrohidrodinamik jet baskı—mürekkebe benzer hassas bir püskürtme yöntemi—kullanarak platini özel bir alümina koruyucu katmanla kapladı. Yüksek sıcaklık işlemi sonrası bu kaplama yoğun, kararlı bir kristal formu olan alfa-alüminaya dönüşüyor. Mikroskopi ve X-ışını ölçümleri, kaplanmış platin filminin 1400 °C'ye kadar ısıtıldıktan sonra bile pürüzsüz ve iyi bağlanmış kaldığını gösterdi; korumasız film ise daha düşük sıcaklıklarda boşluklar ve pürüzlü bölgeler geliştirdi.

Prob Isıyı Sinyale Nasıl Çeviriyor?

Yeni sensör iki tamamlayıcı şekilde çalışır. İlk olarak, platin film ısındıkça elektriksel direnci öngörülebilir, neredeyse lineer bir şekilde artar. Filmin üzerinden sabit bir akım geçirilip voltaj değişimi izlenerek yüzey sıcaklığı yüksek hassasiyetle hesaplanabilir. İkinci olarak, iyi bilinen bir ısı iletimi modeli kullanılarak o voltajın zaman geçmişi, yüzeye akan enerji oranı olan ısı akısı zaman geçmişine dönüştürülebilir. Bilgisayar simülasyonları, probun katmanlı yapısının gelen ısı ile çıkış sinyali arasında temiz, neredeyse lineer bir ilişki ürettiğini doğruladı; ayrıca alümina katmanları tarafından sürdürülen basma gerilmesi, platin filminin yüksek sıcaklıklarda kararlı kalmasına yardımcı oluyor.

Sensörü Teste Sokmak

Ekip daha sonra probu kapsamlı deneylere tabi tuttu. Bir fırında, platin filmin direnci oda sıcaklığından 1000 °C'ye kadar sıcaklığı mükemmel doğrulukta ve tekrarlanabilirlikle izledi ve korumalı versiyon yaklaşık 1440 °C'ye kadar dayanabildi—korumasız filmlere göre yaklaşık yüzde 50 daha yüksek. Lazer tabanlı testler yeni probu ticari bir ısı akısı sensörü ile karşılaştırdı ve iyi uyum gösterdi: test edilen en yüksek güçte yeni cihaz metrekare başına yaklaşık 71 kW ısı akısı ölçtü ve tam ölçek hatası %1,7'nin altında, tekrarlanabilirlik ise %0,6'dan daha iyiydi. Ani termal yükleri taklit eden hızlı ısıtma düzeneği, probun yaklaşık 0,2 milisaniye içinde yanıt verebildiğini ve metrekare başına 3,5 megavatın üzerinde ısı akılarına dayanabildiğini ortaya koydu; kızılötesi termometre ile kontrol edildiğinde sıcaklık hataları %1'in altındaydı.

Geleceğin Yüksek Hızlı Uçuşu İçin Anlamı

Basitçe söylemek gerekirse, bu çalışma yalnızca sıcaklığı ölçmekle kalmayan, aynı zamanda ısının bir yüzeye ne kadar şiddetle çarptığını da ölçen çok küçük, çok sağlam ve çok hızlı bir termometre sunuyor. Yaklaşık 1500 °C'ye yakın hayatta kalabilmesi, mikrosaniye düzeyinde tepki vermesi ve küçük sütunlarda diziler halinde üretilebilmesi nedeniyle, hipersonik araçlar ve motor bileşenleri üzerindeki termal yükleri ayrıntılı olarak haritalamak için uygundur. Bu yetenek, mühendislerin daha güvenilir termal koruma sistemleri tasarlamasına ve yeni malzemeleri gerçekçi, aşırı koşullar altında test etmesine yardımcı olarak daha güvenli yüksek hızlı uçuşu gerçeğe yaklaştırmalıdır.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: ısı akısı sensörü, hipersonik rüzgâr tüneli, platin ince film, yüksek sıcaklık ölçümü, alümina seramik