Температура — один из ключевых параметров, определяющих состояние и свойства материалов. От точности ее измерения зависят и промышленные процессы, и повседневные технологии. Особенно остро этот вопрос стоит в авиастроении, металлургии и энергетике, где оборудование работает в экстремальных условиях. Например, в современных авиадвигателях температура в камере сгорания достигает 1800 °C, и обычные датчики с такой нагрузкой не справляются.

Недавно ученые разработали тонкопленочные термопары (ТПТ) — компактные, быстрые и точные сенсоры, которые можно интегрировать прямо на поверхность двигателя. В отличие от традиционных металлических датчиков, они почти не влияют на работу системы и обеспечивают высокую безопасность. Однако у них есть слабое место: при сверхвысоких температурах материалы термопар разрушаются из-за окисления или из-за разницы в тепловом расширении слоев.

Группа профессора Бянь Тяня из Сианьского университета Цзяотун предложила новое решение — термопару на основе оксида индия (In₂O₃), легированного стабилизированным иттрием цирконием (YSZ). Раньше YSZ использовали только как термобарьерное покрытие, но китайские исследователи впервые применили его для улучшения термоэлектрических свойств.

Результаты опубликованы в издании Journal of Advanced Ceramics.

Как это работает

• Термопару спроектировали с учетом принципов измерения температуры, квантовых расчетов и компьютерного моделирования.
• Для повышения точности применили нейросеть, которая анализирует погрешности и корректирует показания.

В результате получился датчик, выдерживающий 1850 °C — с запасом для авиадвигателей. Его термо-ЭДС достигает 163,4 мкВ/°C, что выше, чем у стандартных металлических термопар.

Термо-ЭДС (термоэлектродвижущая сила) — напряжение, возникающее в цепи из двух разных материалов, если их контакты находятся при разной температуре. Чем выше разница — тем больше сигнал. Именно этот принцип используют термопары для измерений.

YSZ — идеальный материал для высоких температур: он не плавится, не окисляется и не боится агрессивных сред, — поясняет Чжункай Чжан, участник исследования.

Испытания подтвердили надежность: датчик выдержал вибрацию с ускорением 21,17g, ударные нагрузки до 100g и работу в реактивной турбине при 1090 °C.

Следующий шаг — долгосрочные тесты и изучение старения материалов, — говорит Чжан.

Этот датчик — не просто лабораторный эксперимент. Если технология дойдет до серийного производства, она решит две ключевые проблемы:

1. Повысит безопасность авиадвигателей — сейчас пилоты и системы управления часто работают «вслепую», потому что датчики выходят из строя при перегреве.
2. Увеличит КПД турбин — точный контроль температуры позволит оптимизировать режимы горения и снизить расход топлива.

Косвенно это повлияет и на энергетику: газовые турбины ТЭС тоже страдают от перегрева.

Главный вопрос — долговечность. В статье нет данных о работе датчика при 1800 °C дольше нескольких часов. YSZ действительно устойчив, но In₂O₃ может терять свойства из-за диффузии кислорода. Без длительных испытаний рано говорить о промышленном применении.

Ранее ученые создали технологичное решение для плоских дисплеев и носимой техники.