使用铂薄膜开发微型双温度—热通量传感探针，用于高达1400 °C的瞬态热测量。

在未来飞行表面上测量极端热负荷

当航天器或高速飞机呼啸穿过大气层时，其外表面在短短几分之一秒内就会遭受强烈的高温冲击。准确掌握这些表面承受的热负荷对于防止发动机、燃料箱和保护涂层失效至关重要。本文介绍了一种新型微型热传感探针，能够在高于许多熔岩流的温度下存活，并具有足以跟踪突发热冲击的快速响应，为设计更安全的高速器载体提供了有力工具。

为什么极端高温难以测量

高超声速试验模型、涡轮叶片和燃烧室的表面在短时间内可能超过1000 °C，同时被高速气流侵蚀。传统的热通量传感器——用于测量热流入表面的速率——在这种环境下很难工作。经典设计体积相对较大，会扰动周围气流，其材料容易氧化或软化，导致读数漂移或失效。许多现有传感器的最高工作温度低于约1200 °C，响应时间在毫秒量级或更长，对现代风洞试验和发动机研究中出现的尖锐、强烈热脉冲而言既太慢又太脆弱。

一根能耐高温的微型柱状探针

研究人员设计了基于铂（Pt）薄膜的微型探针，铂薄膜包裹在直径约2毫米的氧化铝（氧化铝）柱上。选择氧化铝是因为它具有电绝缘性、机械强度高，并能承受大约1600 °C的温度。在这个陶瓷柱内部，电连接线被隐藏在狭窄通道中，从而保护布线免受高温侵蚀性气体的损坏并降低电噪声。在外表面，铂层被设计成S形路径以增加其长度，在保持极小占地面积的同时提升对温度变化的灵敏度。

防止薄膜失效的保护层

金属薄膜在极高温度下的一大挑战是表面会缓慢聚结成岛状结构，类似水在玻璃上起珠，这会破坏其电学性能。为防止这种现象，团队采用电流-湿润动力喷墨打印（electrohydrodynamic jet printing）——一种精细、类似喷墨的成膜方法——在铂上涂覆定制的氧化铝保护层。经过高温处理后，该涂层会转变为致密、稳定的α-氧化铝晶相。显微镜和X射线测量表明，受保护的铂薄膜在加热至1400 °C后仍保持平整且与基底良好结合，而未受保护的薄膜则在更低温度下出现空洞和粗糙区域。

探针如何将热量转换为信号

新型传感器通过两种互补方式工作。首先，随着铂薄膜升温，其电阻呈可预测的、近似线性的上升。通过向薄膜施加恒定电流并跟踪电压变化，即可高精度地计算表面温度。其次，利用公认的热传导模型，可以将该电压的时间历程转换为热通量的时间历程——即能量流入表面的速率。计算机模拟证实，探针的分层结构在入射热流与输出信号之间产生了干净、近乎线性的关系，而氧化铝层维持的压应力有助于在高温下保持铂的稳定性。

对传感器进行考验

随后，团队对探针进行了系列实验。在高温炉中，铂薄膜的电阻在室温到1000 °C范围内呈现出优异的线性和可重复性，受保护的版本能耐受约1440 °C——比未保护薄膜高出约50%。基于激光的测试将新探针与商用热通量传感器进行了比较，结果一致性良好：在最高测试功率下，新装置测得约71 kW/平方米的热通量，全量程误差小于1.7%，可重复性优于0.6%。一个模拟突发热负载的快速加热装置显示，探针响应时间约为0.2毫秒，并能承受超过3.5 MW/平方米的热通量，在与红外测温仪比对时温度误差低于1%。

这对未来高速飞行意味着什么

简而言之，这项工作提供了一种非常小、非常坚固且非常快速的热计，它不仅测量温度还能测量热量如何猛烈地作用在表面上。由于它可在接近1500 °C下存活、以微秒级响应并能在微型柱阵列上批量制造，因此非常适合用于高超声速飞行器和发动机部件的热负荷精细成图。该能力将帮助工程师在真实极端条件下设计更可靠的热防护系统并测试新材料，使更安全的高速飞行更进一步成为现实。

引用: 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

关键词: 热通量传感器, 高超声速风洞, 铂薄膜, 高温测量, 氧化铝陶瓷