柔性基底上MgO薄膜的厚度依赖性物理特性与结构稳定性研究及其在航空发动机热流传感中的应用

为攻克镍基涡轮叶片在极端工况下的热流监测难题，研究人员通过倾斜基底沉积技术（ISD）制备了厚度梯度（1.8–6.3 μm）的MgO多功能缓冲层薄膜，系统揭示了厚度对晶体取向、力学性能及热稳定性的调控规律。研究发现5.3 μm以上厚膜具有优化的双轴织构和断裂韧性，而1.8 μm薄膜则展现优异附着强度，该研究为航空发动机曲面共形热流传感器（ALTP）的可靠性设计提供了关键理论支撑。

　　

在航空发动机技术飞速发展的今天，涡轮叶片的工作环境愈发严苛——温度逼近金属熔点的同时，还要承受巨大的离心力和气流冲击。如何实时监测这些"高温战士"表面的热流分布，成为优化热防护系统的关键。传统单晶基底制备的原子层热电堆（ALTP）传感器虽能利用横向塞贝克效应实现快速检测，却难以贴合复杂曲面，更无法兼顾极端环境下的稳定性。

这一困局的突破口或许藏在一种特殊的材料中——氧化镁（MgO）。这种熔点高达2900°C的陶瓷材料，不仅具备优异的电绝缘性（介电常数9.8）和宽禁带特性（7.2 eV），其晶体结构还能通过倾斜基底沉积技术（ISD）形成特定取向排列。但究竟多厚的MgO薄膜才能同时满足传感器对机械强度、热稳定性和柔韧性的苛刻要求？这个看似简单的问题，却直接关系到新一代柔性ALTP传感器的成败。

来自中国的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表的最新研究，通过精密的厚度梯度设计（1.8–6.3 μm），系统解构了ISD-MgO薄膜的"厚度-性能"关系图谱。研究人员采用电子束蒸发法，在倾斜30°的哈氏合金C-276柔性基底上沉积不同厚度的MgO薄膜，结合X射线衍射（XRD）、纳米压痕和高温电阻测试等手段，建立了一套完整的性能评价体系。

晶体结构演变规律

XRD分析显示所有厚度样品均呈现强烈的MgO（002）择优取向，但5.3 μm以上厚膜的（111）面摇摆曲线半高宽显著收窄至7.3°，表明双轴织构质量随厚度增加而提升。通过布拉格方程计算发现，厚膜沿c轴方向的晶格常数更接近理论值，这种结构有序度的提升直接关联着后续的性能优化。

力学性能的厚度博弈

纳米划痕测试揭示出有趣的"鱼与熊掌"现象：1.8 μm薄膜以28.5 N的临界载荷展现超强附着力，而5.3 μm样品则凭借2.1 MPa·m^1/2的断裂韧性值拔得头筹。这种厚度依赖的"附着力-韧性"权衡关系，为不同应用场景的选材提供了明确指导——需要频繁弯曲的部件宜选薄膜，而承受强热震的部位则需厚膜护航。

高温下的绝缘卫士

在500°C老化实验中，厚膜样品表现出惊人的稳定性：其电阻率保持在10¹¹ Ω·cm量级，活化能高达1.7 eV。研究人员发现，厚膜中更完整的晶界结构能有效抑制导电通道的形成，这种"厚度控绝缘"的特性使其成为高温电子器件的理想缓冲层。

柔性表现的极限挑战

通过100次弯曲循环测试，3.5 μm薄膜在5 mm曲率半径下仍保持结构完整，而超薄样品（1.8 μm）更可实现180°折叠。同步进行的扭转疲劳试验证实，中等厚度（3.5–5.3 μm）薄膜在复杂形变下具有最佳的综合耐久性。

这项研究不仅建立了ISD-MgO薄膜的厚度-性能数据库，更创新性地提出了"厚度分区应用"理念：在传感器不同功能区域针对性选择薄膜厚度，实现整体性能的最优化。该成果为航空发动机热流传感器的柔性化设计提供了关键材料学依据，其揭示的厚度调控规律也可拓展至其他极端环境用功能薄膜的设计中。正如研究者所言："就像为不同海拔选择不同厚度的登山服，我们正在为材料穿上智能的'厚度外衣'来应对多变的极端环境。"