山东大学陶绪堂教授、赵显教授团队AFM：氧化物单晶光纤的设计及高温传感应用

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在化石能源、核能利用以及航空发动机研制等关键技术领域，通常会面临高温、高压、强氧化、强腐蚀、强电磁干扰等恶劣作业环境。对该环境下温度的长时间原位实时监测，能够为装备健康状态监控以及技术优化提供关键数据，是亟待解决的关键科学和技术难题。“十四五”国家重点研发计划将“智能传感器”列为重点专项，旨在加强工业传感器技术在智能制造体系建设中的应用，提升工业传感器产业技术创新能力。基于氧化物单晶光纤的超声波导高温传感器（SCF-UTS）凭借结构紧凑、精度高、抗氧化、物化性能稳定、空间环境适应性强等诸多优势，弥补了传统贵金属热电偶测温的材料短板（强氧化环境中稳定性较差、成本高等）以及红外测温的技术不足（背景辐射干扰大、难以精准探查物体内部温度等），被认为是高温强氧化环境中最具潜力的测温技术之一，逐渐成为高温探测领域的研究热点。

近期，山东大学晶体材料国家重点实验室陶绪堂教授、贾志泰教授与山东大学光学高等研究中心赵显教授（共同通讯作者）合作，通过第一性原理计算辅助材料设计，并利用激光加热基座技术（LHPG）成功制备出高熔点（>2100 ℃）、大长径比的尖晶石结构MgAl₂O₄及其格位掺杂的系列单晶光纤，并将其作为超声波导材料成功研制出测温极限>2000℃的高温传感器。

超声波导温度传感器性能决定性因素是光纤介质中声速的大小及声速随温度的变化率，其中介质材料的密度及弹性参量是影响光纤声学特性的主要因素。MgAl₂O₄单晶光纤熔点高，具有明显的声学各向异性且晶格具有反位无序特性，这为传感器的性能调控提供了巨大的设计空间。研究结果显示，[110]晶向的MgAl₂O₄拥有最低的横波声速，其1000℃以上的温度分辨率相较于[100]及[111]晶向提升了10%以上。并在此基础上，通过Zn²⁺、Cr³⁺离子的格位掺杂，大幅度提升了晶体密度及晶格反位无序程度，传感器性能得到进一步提升。[110]晶向的(Mg_0.9Zn_0.1)(Al_0.995Cr_0.05)₂O₄ SCF-UTS 在500℃时的温度分辨率可达1℃，1200℃时温度分辨率可达0.74℃，其性能随温度升高呈明显上升趋势，展现出了在超高温环境中巨大的应用潜力。相关研究成果以“Design and directional growth of (Mg_1-xZn_x)(Al_1-yCr_y)₂O₄ single-crystal fibers for high-sensitivity and high-temperature sensing based on lattice doping engineering and acoustic anisotropy”为题（DOI:10.1002/adfm.202103224），发表于国际著名期刊Advanced Functional Materials（IF:18.808）。山东大学晶体材料研究院博士研究生王涛、王浩元为共同第一作者。山东大学为第一完成单位，中北大学为主要合作单位。

图1单晶光纤超声波导温度传感器原理图

图2 （a）MgAl₂O₄单晶光纤生长熔区；（b）不同取向MgAl₂O₄单晶光纤

图3 MgAl₂O₄单晶光纤弹性各向异性（a）杨氏模量；（b）剪切模量最大值；（c）剪切模量最小值

 图4 MgAl₂O₄单晶剪切模量在特定晶面中随二次取向的变化（a）{100}面；（b） {110}面；（c） {111}面

图5 横波模式下MgAl₂O₄单晶光纤传感器性能的各向异性（a）延迟时间；（b）声速；（c）单位灵敏度；（d）灵敏度与分辨率

图6 [110]-(Mg_0.9Zn_0.1)(Al_0.995Cr_0.005)₂O₄单晶光纤超声温度传感器在横波模式下的性能（a）声速；（b）单位灵敏度；（c）灵敏度和分辨率；（d）系列单晶光纤超声温度传感器在1200 ℃时声速与单位灵敏度对应关系

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https://doi.org/10.1002/adfm.202103224

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