Loading ...Экстремальные условия в нескольких критически важных отраслях — аэрокосмической, энергетической, транспортной и оборонной — требуют датчиков для измерения и мониторинга множества факторов в суровых условиях, чтобы обеспечить безопасность человека и целостность механических систем.
В нефтехимической промышленности , например, необходимо контролировать давление в трубопроводах в климатических условиях, варьирующихся от жаркой пустыни до почти арктического холода. Различные ядерные реакторы работают в диапазоне 300-1000 градусов по Цельсию, а глубокие геотермальные скважины поддерживают температуру до 600 градусов по Цельсию.
Теперь группа исследователей из Университета Хьюстона разработала новый датчик, который, как было доказано, работает при температурах до 900 градусов по Цельсию или 1650 градусов по Фаренгейту, что соответствует температуре извержения основной вулканической лавы, самого горячего типа лавы на Земле.
«Высокочувствительные, надежные и долговечные датчики, которые могут выдерживать такие экстремальные условия, необходимы для эффективности, обслуживания и целостности этих приложений», — сказал Джэ-Хюн Рю, доцент кафедры машиностроения UH и соответствующий автор исследования, опубликованного в журнал Advanced Functional Materials.
Статья, помещенная на обложке журнала, называется «Пьезоэлектрические датчики, работающие при очень высоких температурах и в экстремальных условиях, изготовленные из гибких сверхширокозонных монокристаллических тонких пленок AlN».
Как заставить это работать
Исследовательская группа UH ранее разработала пьезоэлектрический датчик давления III-N с использованием монокристаллического нитрида галлия или тонких пленок GaN для применения в суровых условиях. Однако чувствительность датчика снижается при температурах выше 350 градусов Цельсия, что выше, чем у обычных датчиков из цирконата-титаната свинца (ЦТС), но незначительно.
Команда полагала, что снижение чувствительности было связано с недостаточной шириной запрещенной зоны — минимальной энергии, необходимой для возбуждения электрона и обеспечения электропроводности. Для проверки гипотезы они разработали датчик с нитридом алюминия или AlN.
«Эта гипотеза была подтверждена датчиком, работающим при температуре около 1000 градусов по Цельсию, что является самой высокой рабочей температурой среди пьезоэлектрических датчиков», — сказал Нам-Ин Ким, первый автор статьи и аспирант, работающий с группой Ryou.
Хотя и AlN, и GaN обладают уникальными и превосходными свойствами, подходящими для использования в датчиках для экстремальных условий, исследователи были рады обнаружить, что AlN предлагает более широкую запрещенную зону и даже более высокий диапазон температур. Однако команде пришлось столкнуться с техническими проблемами , связанными с синтезом и изготовлением высококачественной гибкой тонкой пленки AlN.
«Меня всегда интересовало создание устройств с использованием различных материалов, и я люблю давать характеристики различным материалам. Работая в группе Ryou, особенно над пьезоэлектрическими устройствами и материалами III-N, я смог использовать знания, полученные в ходе учебы, » сказал Ким, который получил докторскую степень. получил степень бакалавра материаловедения и инженерии в UH в 2022 году. Его отмеченная наградами диссертация была посвящена гибким пьезоэлектрическим датчикам для личного здравоохранения и экстремальных условий .
«Было очень интересно увидеть процесс, ведущий к реальным результатам, и мы решили технические проблемы во время разработки и демонстрации датчика», — добавил он.
Что дальше?
Теперь, когда исследователи успешно продемонстрировали потенциал высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков с AlN, они продолжат их испытания в суровых реальных условиях.
«Мы планируем использовать датчик в нескольких суровых условиях. Например, на атомных станциях для нейтронного облучения и хранения водорода для испытаний под высоким давлением», — сказал Рё. «Датчики AlN могут работать в атмосфере, подверженной воздействию нейтронов, и в диапазонах очень высокого давления благодаря стабильным свойствам материала».
Гибкость датчика дает дополнительные преимущества, которые сделают его полезным для будущих приложений в виде носимых датчиков в продуктах для персонального мониторинга здоровья и для использования в мягкой робототехнике с точным распознаванием.
Исследователи надеются, что их датчик станет коммерчески жизнеспособным в какой-то момент в будущем. «Трудно назвать точную дату, когда это может произойти, но я думаю, что наша работа как инженеров — сделать так, чтобы это произошло как можно скорее», — сказал Ким.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
73
