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山东大学陶绪堂、赵显教授团队在单晶光纤高温传感技术领域获新进展
2021-08-06 13:23
山东大学
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  近日,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,与光学高等研究中心赵显教授及中北大学王高教授合作,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光纤成功研制出测温极限>2000℃的抗氧化高温传感器,为恶劣环境下超高温探测开辟了崭新的发展思路和技术途径。相关研究成果以“Design and directional growth of (Mg1-xZnx)(Al1-yCry)2O4single-crystal fibers for high-sensitivity and high-temperature sensing based on lattice doping engineering and acoustic anisotropy”为题(DOI: 10.1002/adfm.202103224),发表于材料科学领域国际著名期刊Advanced Functional Materials(中科院一区Top期刊,IF:18.808)。山东大学为第一完成单位,陶绪堂教授、赵显教授、贾志泰教授为共同通讯作者,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。

  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,并列入“十四五”国家重点研发计划“智能传感器”重点专项。研究团队将抗氧化的MgAl2O4不同型号单晶光纤与超声波导测温技术相结合,弥补了传统贵金属热电偶测温技术的材料短板(强氧化环境中稳定性较差、成本高等)以及红外测温技术的局限性(背景辐射干扰大、难以精准探查物体内部温度等)。该研究工作通过设计晶体光纤的格位组份和结晶取向,优化了单晶光纤的高温声学特性,大幅提升了传感器的灵敏度及分辨率。以[110]取向(Mg0.9Zn0.1)(Al0.995Cr0.005)2O4作为超声波导的高温传感器在500℃下的温度分辨率为1℃,1200℃下的温度分辨率可达0.74℃,其性能随温度升高呈明显上升趋势,展现出该材料体系在超高温环境下的巨大应用潜力。

  陶绪堂教授团队长期致力于氧化物单晶光纤的制备与应用技术研究,该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、111引智基地和晶体材料国家重点实验室等支持。

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