基于激光诱导前向转移技术的聚合物衍生陶瓷薄膜应变传感器快速制备方法研究

针对传统陶瓷前驱体溶液图案化技术设备昂贵、工艺复杂等问题，中国科学院化学研究所团队创新性地将激光诱导前向转移（LIFT）技术与激光热解工艺结合，实现了聚合物衍生陶瓷（PDC）薄膜应变传感器的快速、低成本原位制备。该传感器在氧化铝基底上展现出0.4?s响应速度、18.13应变系数及优异循环稳定性，成功应用于PEEK齿轮啮合动态监测，为苛刻环境下的精密工程传感提供了高效解决方案。

　　

（以下为论文解读，约2000字）

背景与挑战
在航空航天、机械工程等领域，极端环境下的应变监测亟需兼具高灵敏度与稳定性的传感器。聚合物衍生陶瓷（Polymer-Derived Ceramics, PDC）因其卓越的化学惰性、机械强度和耐高温性（可承受800°C）成为理想材料。然而，传统PDC图案化技术如光刻、直写和3D打印存在"卡脖子"难题：设备集成复杂（需多轴联动平台）、成本高昂（如光刻掩模）、工艺繁琐（高温炉热解需数小时），严重制约其工程化应用。

创新解决方案
中国科学院化学研究所张昆鹏团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，提出"激光诱导前向转移（Laser-Induced Forward Transfer, LIFT）+激光热解"的协同工艺。该技术突破传统束缚，通过红外皮秒激光（波长1064?nm）实现PDC前驱体从供体薄膜到氧化铝基底的精准转移，同步完成瞬时（1.7?s）陶瓷化，将传统数小时的热解过程压缩至秒级。

关键技术方法
研究采用PSN₂前驱体与导电碳粉（CCP）复合浆料，通过LIFT系统（含XYZ三维平台）调控激光功率（50-90%）、频率（25-110?kHz）、扫描速度（1500-3500?mm/s）及基底间距（30-500?μm）等参数，结合CO₂激光（10.6?μm）热解固化。性能测试采用动态应变仪与齿轮啮合模拟装置，对比半导体与PDC传感器的温度稳定性差异。

研究结果

1. LIFT关键参数对PDC图案化的影响
激光功率与频率协同控制线宽（20-150?μm）：功率>70%时等离子体爆发增强，但过高功率（>85%）会导致飞溅；频率80?kHz时沉积均匀性最佳，而基底间距100?μm可实现最小边缘扩散（<5?μm）。

2. 传感器性能验证
制备的PDC传感器展现出：

• 超高灵敏度：应变系数（GF）达18.13，远超传统金属应变片（GF≈2）
• 快速响应：0.4?s内捕获微应变信号
• 循环稳定性：2000次拉伸测试后电阻漂移<1.5%
• 高温适应性：600°C下电阻保持5?MΩ

3. 工程应用示范
在聚醚醚酮（PEEK）齿轮动态监测中，传感器成功捕捉到转速突变（200-800?rpm）导致的应变波动，信噪比提升40% compared to半导体传感器。

结论与展望
该研究开创了PDC传感器"激光直写-原位陶瓷化"的一体化制造范式，其核心突破在于：

1. 工艺革新：LIFT技术实现无掩模、非接触式图案化，成本降低60%
2. 性能优势：GF值较传统工艺提升8倍，填补了高温环境下高灵敏度传感器的空白
3. 应用拓展：为航空发动机热端部件、核反应堆管道等极端环境监测提供新方案

未来可通过优化前驱体组分（如引入SiBCN陶瓷）进一步提升温度上限，而多激光头并行加工技术有望实现大面积传感器阵列制备。这项来自中国科学家的原创工作，标志着精密陶瓷传感器迈向"快速制造"时代的重要里程碑。