高溫金屬基上Al2O3/CeO2/Al2O3 復合絕緣層的制備及絕緣性能研究

彭小龍，蔣書文，張萬里

（電子科技大學電子科學與工程學院電子薄膜與集成器件國家重點實驗室 四川 成都 611731）

0 引言

航空發(fā)動機工作環(huán)境惡劣，超高溫[1]、超高壓、超高速，為確保其工作的性能可靠性、結(jié)構(gòu)安全性、使用長壽命，在其工程研發(fā)中識別和掌握關(guān)鍵部件如風扇、壓氣機、渦輪葉片和盤件的應(yīng)力分布狀態(tài)和動應(yīng)變特性是至關(guān)重要的信息[2]。通過研究葉片應(yīng)變比，從關(guān)鍵點位置的應(yīng)變即可推測出其他部位的應(yīng)變，并檢測出多種振型。因此，實時監(jiān)測高溫環(huán)境下葉片表面，研制穩(wěn)定可靠高精度的應(yīng)變測量傳感器，研究和發(fā)展高溫應(yīng)變測量技術(shù)具有重要意義。但是若直接將應(yīng)變敏感薄膜直接沉積到Ni 基高溫合金葉片表面，則會因為兩者直接導通而無法測量應(yīng)變[3]，因此需要在合金葉片表面制備高溫絕緣層，以實現(xiàn)薄膜應(yīng)變傳感器功能層與葉片金屬基底之間的電絕緣，從而確保薄膜應(yīng)變傳感器的正常工作。

Al2O3薄膜性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨損、耐高溫，高介電常數(shù)，從而使得Al2O3薄膜在高溫下具有優(yōu)異的絕緣性能。國內(nèi)外已有大量學者及相關(guān)機構(gòu)開展了Al2O3薄膜在高溫絕緣薄膜材料應(yīng)用上的相關(guān)研究工作，Nakai 等[4]采用離子束化學氣相沉積法在鎳基合金基底上制備了Al2O3絕緣薄膜，并研究了Al2O3絕緣薄膜的絕緣性能與離子束入射角之間的關(guān)系；美國NASA 研究人員的研究表明[5]，對單層薄膜絕緣層經(jīng)高溫處理后，絕緣層出現(xiàn)了較多孔洞和裂紋，大大降低了絕緣層的絕緣性能；楊曉東等[6]采用射頻磁控濺射沉積了非晶體的YSZ，再利用電子束蒸發(fā)法沉積Al2O3絕緣薄膜，得到具有良好絕緣性和高溫穩(wěn)定性的YSZ/Al2O3復合絕緣薄膜；賀利軍[7]在2014 年對電子束蒸發(fā)傾斜沉積氧化鋁薄膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)展開了研究；李瑤等[8]采用直流磁控濺射法在鎳基合金上沉積NiCrAlY薄膜，經(jīng)過1 000 ℃真空析鋁后，磁控濺射50 nm Al 薄膜，最后在1 000 ℃下進行高溫氧化，形成致密Al2O3熱生長絕緣薄膜，并研究了其高溫穩(wěn)定性。

目前，由于單層Al2O3薄膜在極高溫下的絕緣性能會大大衰減，因而應(yīng)用于航空發(fā)動機的高溫薄膜傳感器的高溫絕緣層多采用復合絕緣層結(jié)構(gòu)，所以本文首次設(shè)計制備了可用于應(yīng)變敏感層和Ni 基高溫合金之間高溫絕緣的Al2O3/CeO2/Al2O3復合絕緣層結(jié)構(gòu)，研究其微觀結(jié)構(gòu)和高溫絕緣性能，提高應(yīng)變計在高溫工作環(huán)境下的可靠性[9]。

2 實驗

2.1 絕緣層制備及結(jié)構(gòu)表征

本文通過直流反應(yīng)濺射[10]的方法制備了可用于發(fā)動機葉片上的高溫復合絕緣層，制備方法如下：（1）將Ni基高溫合金基帶清洗、干燥后，采用直流磁控濺射的方法在Ni 基高溫合金基帶表面濺射純鋁靶，靶材尺寸為140 mm×70 mm（工藝參數(shù)：靶基距為70 mm，本底真空度5×10-4Pa，反應(yīng)氣體為氬氣和氧氣，Ar ∶O230 ∶2.5，濺射氣壓0.4 Pa，濺射功率100 W，濺射時間6 h），得到一層厚度約為0.6 μm 的Al2O3薄膜，然后在800 ℃的低壓氧氣氛圍中退火200 min，從而得到單層Al2O3薄膜絕緣層樣品；（2）以氧化鋁基片作為基底，采用直流反應(yīng)濺射純鈰靶，工藝參數(shù)：靶基距為70 mm，本底真空 5×10-4Pa，濺射氣壓0.4Pa，濺射功率100 W，濺射時間1 h，并設(shè)置30 ∶10、30 ∶5、30 ∶2 3 組不同氬氧比條件，制備得到單層CeO2薄膜；（3）通過分析（2）中制備的CeO2薄膜性能，選擇最優(yōu)的氬氧比，采用制備該樣品的最佳工藝，在（1）中制得的樣品表面直流反應(yīng)濺射純鈰靶得到Al203/CeO2雙層復合絕緣層樣品；（4）用（1）中相同工藝參數(shù)，在Al203/CeO2雙層復合絕緣層表面再制備一層Al2O3絕緣層，從而得到Al2O3/CeO2/Al2O3三明治結(jié)構(gòu)復合絕緣層。

采用X 射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）對在3 組不同氬氧比條件下制備的單層CeO2薄膜樣品進行物相分析以及結(jié)晶度分析；采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）對最后制備的3 層復合絕緣層薄膜表面進行表征分析。

2.2 絕緣層性能測試

采用Keithley 2750 數(shù)字萬用表對復合絕緣層以及單層Al2O3絕緣層樣品的高溫絕緣性能進行測試。圖1 為絕緣層測試樣品結(jié)構(gòu)圖。在復合絕緣層表面采用電子束蒸發(fā)工藝制備兩個Pt 電極，工藝參數(shù)為：背底真空度5×10-4，電子束流150 Ma，蒸發(fā)時間20 min，電極直徑約1 mm。最后采用高溫鉑漿將鉑絲固定在Pt 電極表面并在800 ℃下進行高溫固化，進而采集電阻信號，樣品制備完成后放入高溫爐，連接好樣品，以5 ℃/min 的升溫速率將樣品加熱至800 ℃，進行高溫絕緣性能測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 3 組CeO2 單層薄膜樣品物相分析

通過X 射線衍射儀（XRD）對3 組不同氬氧比條件下制備的單層CeO2薄膜樣品進行物相分析，結(jié)果見圖2。

結(jié)果表明，當氬氧比為30 ∶2 時，CeO2薄膜存在較強（111）衍射峰；而當增大氧分壓，氬氧比變?yōu)?0 ∶5 時，CeO2薄膜（200）衍射峰增強，表現(xiàn)為（200）擇優(yōu)生長；繼續(xù)增大氧分壓，CeO2薄膜各衍射峰相對強度減弱，雖然（200）峰較強，但并無明顯的擇優(yōu)生長。對比3 種不同的氬氧比條件，可以發(fā)現(xiàn)當氬氧比過高，氬氣濃度過高，氧氣濃度過低時，濺射反應(yīng)的程度不夠高，氧化也不夠充分，因為結(jié)晶度不夠高，也只在（111）存在較強衍射峰；而氧氣濃度進一步提高時，容易發(fā)生氧氣濃度過高，合成速度過快，因而在靶材表面大量附著絕緣層導致靶中毒的情況發(fā)生，進而一定程度上影響反應(yīng)濺射過程的進行，降低反應(yīng)速率，結(jié)晶性也較普通；而當氬氧比為30 ∶5 時，CeO2薄膜的結(jié)晶性最強，致密度也較好，說明該氬氧比條件較為適合，有利于增強CeO2薄膜的附著性，從而提高CeO2薄膜的高溫絕緣性能，也有利于提高復合絕緣層的附著性，避免絕緣層薄膜脫落失效的情況發(fā)生，所以最后決定選擇該條件下的制備工藝作為后續(xù)復合絕緣層CeO2中間層的制備工藝。

3.2 單層Al2O3 薄膜的高溫絕緣性能分析

測試單層Al2O3薄膜絕緣層的高溫絕緣性能，圖3 為單層Al2O3薄膜絕緣層高溫絕緣性能測試結(jié)果。

室溫下單層Al2O3薄膜的絕緣電阻達到27 MΩ；當測試溫度為400 ℃時，絕緣電阻為5 kΩ；當測試溫度升至600 ℃時，絕緣電阻僅為350 Ω，已經(jīng)失去絕緣效果。單層Al2O3薄膜在超過600 ℃高溫下絕緣性能較差，原因可能是隨著溫度升高，帶電粒子通過絕緣層本身存在的缺陷進行遷移，使得絕緣層與合金基底之間直接導通[11]，導致絕緣層短路，不滿足渦輪葉片的高溫應(yīng)變測量的絕緣條件，必須要在其表面通過制備復合薄膜絕緣層以達到更高要求的高溫電學絕緣效果。

3.3 Al2O3/CeO2/Al2O3 復合絕緣層的薄膜微觀結(jié)構(gòu)以及高溫絕緣性能測試

通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合絕緣層樣品的表面微觀形貌，得到的結(jié)果見圖4。

可以看到絕緣層表面只存在少量突起，大部分區(qū)域都較為平整，結(jié)構(gòu)致密，也未觀察到微裂紋、空洞等缺陷。薄膜表面存在的少量突起可能是由于部分區(qū)域體系為了降低能量而產(chǎn)生Al2O3顆粒聚合生長[12]，導致薄膜在某些區(qū)域較為集中生長，形成了一定的不規(guī)則突起。

測試復合絕緣層的高溫絕緣性能，Al2O3/CeO2/Al2O3復合絕緣層在室溫下的絕緣電阻約為116.5 MΩ，400 ℃下的絕緣電阻達到100.1 kΩ；在600 ℃下的絕緣電阻為19 kΩ；進一步提高測試溫度到800 ℃，絕緣電阻仍有10 kΩ，較之單層Al2O3絕緣層提高了2 個數(shù)量級，這是由于CeO2具有較低的電導率，高溫下較為穩(wěn)定，具備良好絕緣性能，同時不同材料在界面處更容易相互嵌入擴散，可以一定程度上填補氧化鋁薄膜存在的孔洞和裂紋等薄膜制備過程中本身存在的結(jié)構(gòu)缺陷，阻止導電離子通過空洞缺陷擴散而使得絕緣層絕緣性能大幅度下降甚至失效；同時由于CeO2與Al2O3熱膨脹系數(shù)相近，有利于減小熱失配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力從而提高絕緣層附著性，滿足了渦輪葉片表面薄膜應(yīng)變計準確測量應(yīng)變的高溫絕緣要求。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)單層Al2O3絕緣層在高溫下絕緣性能較差的問題，設(shè)計并通過直流反應(yīng)濺射的方法在Ni 基高溫合金基底上制備了單層Al2O3薄膜樣品，單層CeO2薄膜樣品以及Al2O3/CeO2/Al2O3多層復合絕緣層薄膜樣品，并測試了其微觀結(jié)構(gòu)和高溫絕緣性能，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)濺射氬氧比能夠有效地控制CeO2薄膜的結(jié)晶生長，并在30 ∶5 的氬氧比下制備CeO2薄膜用于復合絕緣層薄膜的制備。由于CeO2本身優(yōu)異的高溫絕緣性能，同時與Al2O3相近的熱膨脹系數(shù)更有利于減小兩種材料之間的熱失配，從而減小應(yīng)力，使得界面結(jié)合更為致密，較少了絕緣層內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生；在制備過程中兩種材料相互嵌入擴散，一定程度上填補了單層絕緣層存在的空洞缺陷，減少了帶電粒子在高溫下的快速通道。三明治結(jié)構(gòu)的Al2O3/CeO2/Al2O3復合絕緣層在800 ℃溫度下的絕緣電阻高達10 kΩ，與單層Al2O3絕緣層的絕緣性能相比提高了2 個數(shù)量級，顯著提升了高溫絕緣層的質(zhì)量與高溫絕性能，為制備性能穩(wěn)定可靠的與高溫合金基底一體化的高溫薄膜應(yīng)變計提供了一定技術(shù)依據(jù)。