[發明專利]用于高壓氫環境中的薄膜應變片

有效

• 申請號: 202011238389.5
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112458415B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 張雯麗;張林;李曉;張萬亮
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/14;C23C14/06;C23C14/08;C23C14/04;G01B7/16;G01L1/22
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 楊小凡

本發明公開了一種用于高壓氫環境中的薄膜應變片，包括基底、設于基底上表面上的過渡緩沖層、設于過渡緩沖層上表面上的絕緣層、設于絕緣層上表面上的功能層；基底采用316L不銹鋼材料制成，過渡緩沖層為CrMo膜，絕緣層為AlN?Al₂O₃雙層膜。本發明具有高壓氫環境中，薄膜應變片可以牢固地固定于試樣上，相互之間連接呈無機質化，因而消除了零點漂移和蠕變，實現了溫度自補償，從而提高了應變片的靈敏度和測量結果的準確性的特點。

技術領域

本發明涉及高壓氫環境中的傳感器技術領域，具體涉及一種由CrMo膜、AlN-Al₂O₃膜和FeCrMoAl膜構成的用于高壓氫環境中的薄膜應變片。

背景技術

安全高效儲氫是氫能規模化利用的關鍵之一。氫氣在使用的過程中，普遍采用高壓氣態來進行儲存和運輸，而氫原子很容易進入材料產生氫脆現象。材料的氫脆會導致零部件耐久性下降，降低使用壽命，甚至直接失效，最終會引發事故。事故不僅會造成巨大的經濟損失，還會威脅生命安全，同時也阻礙了氫能的產業化進程。

針對這個問題，為確保設備的強度和安全可靠，需要研究材料在高壓氫和機械負載綜合作用下的強度和剛度問題。因此，材料在臨氫環境下的應力應變電測及傳感技術至關重要。其中，以電阻作為測量信號是應變片最常用的測量方法。但是普通的箔式電阻應變片的電阻會隨氫氣的侵入發生變化，這會導致應變片的零點漂移和蠕變現象隨時間和壓力的增加而加劇，嚴重影響測量的準確性和穩定性。

目前，我國已研制出高壓氫環境下的載荷傳感器，其采用鐵基合金作為敏感柵材料，可以有效減少高壓氫環境中由氫侵入產生的零點漂移、蠕變等問題。但在實際應用過程中發現，安裝電阻應變片時通常使用有機膠粘劑進行粘貼，如硝化纖維素型、氰基丙烯酸酯型、聚酯樹脂型、環氧樹脂型和酚醛樹脂型等，這些材料在高壓氫環境中存在一些問題，大大限制了應變片的使用壽命。特別地，由于氫氣分子極小，當膠粘劑與氫氣接觸時，氫氣會通過吸附、侵入、溶解和擴散過程進入膠粘劑，使其發生吸氫膨脹現象。這種現象會導致膠粘劑形成氣泡，氣泡逐漸聚集會出現裂紋，最終導致膠粘劑失效，使載荷傳感器掉落。另外，由于膠粘劑不是傳感元件，且對環境條件敏感，會受時間、溫度和壓力的影響而發生變化，所以它常常是引起應變片滯后、零點漂移和蠕變等問題的主要因素。因此，需要研發一種高壓氫環境中穩定準確的應變片。

目前試驗中常用的膠粘劑存在使用時間短、對壓力變化敏感等缺點，不能滿足試驗需求。在這方面，我國也已研制出較耐氫氣腐蝕的膠粘劑，如氫化丁腈橡膠硫化膠等。但在試驗中，這類膠粘劑使用范圍小，獲取途徑難，而且成本較高，不適于廣泛應用。另外，在工業實踐中，部分工廠采用特定的配方及工藝制取膠粘劑，以應對氫氣致膠起泡開裂的情況，但這種方法不夠穩定，很難保證試驗中的準確性，所以同樣不適于試驗應用。

發明內容

本發明的發明目的是為了克服現有技術中的有機膠粘劑在高壓氫環境中造成的應變片脫落、零點漂移和蠕變的不足，提供了一種由CrMo膜、AlN-Al₂O₃膜和FeCrMoAl膜構成的用于高壓氫環境中的薄膜應變片。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種用于高壓氫環境中的薄膜應變片，包括基底、設于基底上表面上的過渡緩沖層、設于過渡緩沖層上表面上的絕緣層、設于絕緣層上表面上的功能層；基底采用316L不銹鋼材料制成，過渡緩沖層為CrMo膜，絕緣層為AlN-Al₂O₃雙層膜。

作為優選，所述功能層為FeCrMoAl合金膜。

功能層采用掩模板的方法濺射到絕緣層上。掩模板采用光刻技術，經尺寸設計后由激光加工制成。

一種薄膜應變片的制備方法，包括如下步驟：

（3-1）將經過預處理后的基底置于磁控濺射儀的濺射室內，進行固定和整理；