AlN/金剛石新型層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)上SAW高溫敏感特性研究

本項(xiàng)目采用高聲速、固有損耗低的高擇優(yōu)取向氮化鋁(AlN)壓電薄膜研制耐高溫聲表面波（SAW）傳感器，在航空航天、石油勘探、能源化工以及冶金等領(lǐng)域具有良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。 建立了有效計(jì)算層狀結(jié)構(gòu)周期柵格陣邊界條件的SAW器件準(zhǔn)三維模型，系統(tǒng)研究了多種AlN/襯底層狀結(jié)構(gòu)上各類模態(tài)（主要是瑞利波和西沙瓦波）的相速度、機(jī)電耦合系數(shù)、頻率溫度系數(shù)等SAW特性；基于非線性電彈擾動(dòng)方程，建立了溫度、應(yīng)力偏場(chǎng)作用下的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)SAW諧振器的多物理場(chǎng)耦合模型。與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性：在溫度范圍達(dá)1050oC時(shí)，頻率溫度特性的理論與實(shí)驗(yàn)誤差仍小于3ppm/oC； 利用濺射設(shè)備制備AlN/金剛石基片，表征分析了鈧(Sc)摻雜的氮化鋁ScAlN薄膜的結(jié)晶學(xué)性能、表面形貌、晶粒和粗糙面的形成機(jī)理，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了單端口SAW諧振器，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ScAlN材料常數(shù)的有效性； 提出一種采用“氧化物薄膜填充在相鄰金屬電極間的溝槽中，而壓電薄膜淀積在平坦的氧化物薄膜頂層表面或電極和填充氧化物薄膜交替間隔組成的平坦表面”的新型三明治結(jié)構(gòu)，克服了常規(guī)埋入式電極制備對(duì)工藝要求極高、不易制備高性能、取向好的氮化鋁薄膜的缺點(diǎn)，且具有溫補(bǔ)效果；提出一種仿生蜘蛛琴形感受器結(jié)構(gòu)的聲表面波傳感器増敏結(jié)構(gòu)和寬溫度范圍溫度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)。研制的傳感器樣機(jī)耐溫已經(jīng)達(dá)到900℃，較好地完成了本項(xiàng)目的所有研究目標(biāo)。 項(xiàng)目執(zhí)行期間，受邀在超聲領(lǐng)域重要國(guó)際會(huì)議IEEE Ultrasonics Symposium上做大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告和擔(dān)任會(huì)議短期專題課程授課人各1次；在其他國(guó)際和國(guó)內(nèi)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告3次。獲得IEEE Ultrasonics Symposium最佳學(xué)生論文競(jìng)賽入圍獎(jiǎng)2次。培養(yǎng)博士研究生2人畢業(yè)，碩士研究生3人畢業(yè)。依托本項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)，與傳感器領(lǐng)域的企業(yè)合作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目的資助，繼續(xù)深入研究耐高溫傳感器，并推進(jìn)其應(yīng)用。 2100433B

高聲速、固有損耗低的氮化鋁(AlN)壓電薄膜具有作為耐高溫聲表面波傳感器敏感材料的潛力。國(guó)際上這方面的研究剛剛起步，亟待在層狀復(fù)合界面結(jié)構(gòu)器件的精確建模、高質(zhì)量擇優(yōu)取向AlN薄膜的高溫性能劣化機(jī)制以及寬溫度范圍內(nèi)傳感器溫度補(bǔ)償?shù)然A(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得進(jìn)一步突破。 本研究擬采用相對(duì)于參考狀態(tài)的Lagrangian坐標(biāo)系，推導(dǎo)出包含電擾動(dòng)項(xiàng)并適用于存在多場(chǎng)耦合的壓電介質(zhì)的非線性電彈擾動(dòng)方程。采用有限元結(jié)合微擾理論求解SAW傳感器的應(yīng)力應(yīng)變分布以及諧振頻率、插損、阻抗等力學(xué)和電學(xué)輸出，用于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器的模態(tài)選擇和參數(shù)優(yōu)化。提出并制備一種具有無(wú)源溫度補(bǔ)償功能的新型AlN(IDT)/金剛石/AlN多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在900℃穩(wěn)定工作時(shí)間超過(guò)500小時(shí)的高溫敏感材料，并在800℃±100℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，雙SAW諧振器差分輸出的頻偏小于60ppm.

金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)如下：金剛石表面有一玻璃層；在所述的玻璃層上有一立方氮化硼層，在所述的立方氮化硼層的表層有一鈦層。

金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)。金剛石表面有一玻璃層；在所述的玻璃層上有一立方氮化硼層，在所述的立方氮化硼層的表層有一鈦層。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)主要在于：這種金剛石內(nèi)表層的CBN對(duì)鐵素材料呈惰性且表面凸凹不平，而外層有金屬鈦層包裹，是一種具有金剛石和CBN 兩種磨料材料性能的以及粗細(xì)磨粒結(jié)構(gòu)性能的特殊磨粒，使用它制造樹(shù)脂結(jié)合劑的磨具來(lái)加工硬質(zhì)合金與鐵素材料制造的刀具、工具、工件，可以獲得有特殊要求的工件質(zhì)量。這種經(jīng)過(guò)復(fù)合涂覆和鍍處理的金剛石，體積增大，近于球狀，制造的磨具，金剛石磨粒分布均勻，同時(shí)金剛石與基體的結(jié)合強(qiáng)度和把持力高，防止磨粒早期脫落。涂覆玻璃-CBN-鍍 Ti復(fù)合涂鍍層的金剛石主要用于樹(shù)脂結(jié)合劑的磨具，使用它可以金剛石與CBN、粗細(xì)磨粒的復(fù)合磨削效果。 金剛石又被稱為鉆石，是由碳原子按照正四面體構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它是無(wú)色透明晶體，硬度極高，不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性極差。2100433B

本項(xiàng)目研究了層狀復(fù)合陶瓷的夾層材料、層狀復(fù)合方式制備工藝、界面結(jié)構(gòu)特征等，制備出多種弱夾層、強(qiáng)夾層、多相復(fù)合協(xié)同增韌層狀復(fù)合陶瓷，其中ZTA/Al2O3強(qiáng)夾層層狀復(fù)合陶瓷的沖擊韌性是單相Al2O3陶瓷的5.6倍，單相ZTA陶瓷的2.8倍；而且復(fù)合陶瓷的斷裂韌性和維氏硬度在平行于夾層方向和垂直于夾層方向差別不大，克服了弱夾層陶瓷各向異性的缺點(diǎn)；通過(guò)層狀復(fù)合陶瓷斷口分析和界面HREM分析，確證層狀復(fù)合陶瓷的主要增韌機(jī)理是多層介質(zhì)的裂紋止裂和裂紋分層效應(yīng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文26篇，培養(yǎng)博士生1名，碩士生5名。提出了層狀復(fù)合陶瓷增韌機(jī)理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為層狀復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。