Группа профессора Сюй Кайчэна и профессора Се Хайбо из Чжэцзянского университета придумала, как с помощью лазера создавать тонкопленочные датчики температуры. Эти сенсоры работают невероятно стабильно в гигантском диапазоне: от минус 50 до 950 градусов Цельсия. И все это без сложных и дорогих защитных покрытий, которые были нужны раньше.

Исследование опубликовали в International Journal of Extreme Manufacturing. Суть метода в том, что короткий и точно настроенный лазерный импульс делает две вещи сразу: он «рисует» на поверхности слой, который чувствует температуру, и одновременно создает прочное защитное покрытие. Эта технология может следить за состоянием критически важного оборудования в аэрокосмической отрасли, энергетике и автомобилестроении, предотвращая поломки.

Наша исследовательская группа в ZJU — междисциплинарная. Мы занимаемся передовыми методами производства для создания гибкой электроники, которую можно носить на теле, имплантировать или использовать в экстремальных условиях, — говорит профессор Сюй Кайчэн, ведущий автор работы. — Мы разрабатываем новые методы изготовления устройств, создаем многофункциональные сенсоры и применяем их на практике. В основе нашего подхода — взаимодействие лазера с материалом. Мы используем гибридные лазерные установки, которые могут выполнять несколько задач одновременно.

Обычные датчики для высоких температур делать сложно. Процесс требует много слоев разных материалов, долгого спекания в печах и дополнительной защиты от окисления. Новый лазерный метод делает все это за один шаг.

Лазерное спекание — это процесс, при котором мощный, сфокусированный луч лазера на короткое время (часто доли секунды) воздействует на материал (например, специальную пасту или порошок). Энергия луча не плавит материал полностью, а вызывает точечный нагрев, в результате которого отдельные частицы материала прочно соединяются друг с другом (спекаются), образуя плотную, твердую и часто электропроводящую структуру. В данном случае этот процесс позволяет одновременно создать чувствительный элемент и защитное покрытие, что и является сутью изобретения.

Лазер на мгновение нагревает материал, заставляя его кристаллизоваться. В результате получается слой, который проводит ток и меняет свое сопротивление в зависимости от температуры. Попутно на поверхности образуется прозрачный, как стекло, защитный слой. Он оберегает чувствительный элемент от окисления, без лишних шагов и материалов.

На выходе — датчик, который в реальном времени отслеживает температуру с высочайшей точностью и не «дрейфует» со временем. В лабораторных тестах сигнал изменился всего на 1,2% после 20 часов непрерывной работы при высоких температурах.

Процесс быстрый, требует меньше материалов и этапов производства. Это открывает путь к простому и дешевому встраиванию датчиков прямо в корпуса двигателей или газопроводы. Инженеры смогут вовремя заметить перегрев, износ или угрозу разрушения.

Сейчас команда работает над тем, чтобы тем же методом измерять не только температуру, но и другие параметры на той же тонкой пленке: давление, деформацию, тепловые потоки. В долгосрочной перспективе они хотят создавать умные сенсорные системы, которые будут надежно работать в самых суровых условиях — на Земле и в космосе.

Реальная польза этой технологии кроется в ее простоте и надежности. Возможность в один шаг создать и сенсор, и его защиту на практически любой поверхности — это прорыв в предиктивной аналитике. Представьте газотурбинные установки или реактивные двигатели, где перегрев одной лопатки может привести к катастрофе. Такие датчики, встроенные прямо в материал, смогут постоянно мониторить состояние системы и передавать данные в реальном времени, позволяя проводить техобслуживание не по графику, а по фактическому состоянию. Это колоссальная экономия средств и повышение безопасности. Кроме того, дешевизна метода открывает дорогу для его массового применения не только в высокотехнологичных отраслях, но и, скажем, в бытовой технике или системах отопления.

Основное замечание касается масштабирования технологии. В статье описаны лабораторные испытания, где все параметры строго контролируются. Однако перенос этого метода в реальное промышленное производство — это всегда вызов. Насколько воспроизводимым окажется процесс на больших, неровных или разнородных поверхностях? Как лазерная запись будет работать на уже бывших в употреблении деталях, с окислами или загрязнениями? Кроме того, в работе не уделено много внимания долговременной стабильности защитного стеклоподобного слоя при циклических термических нагрузках — постоянных нагревах и охлаждениях. Именно такие циклы чаще всего и приводят к растрескиванию и отслоению покрытий, что может свести на нет все преимущества метода.

Ранее ученые разработали датчик, который не плавится при 1850 градусах.