[发明专利]用于高压氢环境中的薄膜应变片

说明书

本发明公开了一种用于高压氢环境中的薄膜应变片，包括基底、设于基底上表面上的过渡缓冲层、设于过渡缓冲层上表面上的绝缘层、设于绝缘层上表面上的功能层；基底采用316L不锈钢材料制成，过渡缓冲层为CrMo膜，绝缘层为AlN‑Al₂O₃双层膜。本发明具有高压氢环境中，薄膜应变片可以牢固地固定于试样上，相互之间连接呈无机质化，因而消除了零点漂移和蠕变，实现了温度自补偿，从而提高了应变片的灵敏度和测量结果的准确性的特点。

技术领域

本发明涉及高压氢环境中的传感器技术领域，具体涉及一种由CrMo膜、AlN-Al₂O₃膜和FeCrMoAl膜构成的用于高压氢环境中的薄膜应变片。

背景技术

安全高效储氢是氢能规模化利用的关键之一。氢气在使用的过程中，普遍采用高压气态来进行储存和运输，而氢原子很容易进入材料产生氢脆现象。材料的氢脆会导致零部件耐久性下降，降低使用寿命，甚至直接失效，最终会引发事故。事故不仅会造成巨大的经济损失，还会威胁生命安全，同时也阻碍了氢能的产业化进程。

针对这个问题，为确保设备的强度和安全可靠，需要研究材料在高压氢和机械负载综合作用下的强度和刚度问题。因此，材料在临氢环境下的应力应变电测及传感技术至关重要。其中，以电阻作为测量信号是应变片最常用的测量方法。但是普通的箔式电阻应变片的电阻会随氢气的侵入发生变化，这会导致应变片的零点漂移和蠕变现象随时间和压力的增加而加剧，严重影响测量的准确性和稳定性。

目前，我国已研制出高压氢环境下的载荷传感器，其采用铁基合金作为敏感栅材料，可以有效减少高压氢环境中由氢侵入产生的零点漂移、蠕变等问题。但在实际应用过程中发现，安装电阻应变片时通常使用有机胶粘剂进行粘贴，如硝化纤维素型、氰基丙烯酸酯型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等，这些材料在高压氢环境中存在一些问题，大大限制了应变片的使用寿命。特别地，由于氢气分子极小，当胶粘剂与氢气接触时，氢气会通过吸附、侵入、溶解和扩散过程进入胶粘剂，使其发生吸氢膨胀现象。这种现象会导致胶粘剂形成气泡，气泡逐渐聚集会出现裂纹，最终导致胶粘剂失效，使载荷传感器掉落。另外，由于胶粘剂不是传感元件，且对环境条件敏感，会受时间、温度和压力的影响而发生变化，所以它常常是引起应变片滞后、零点漂移和蠕变等问题的主要因素。因此，需要研发一种高压氢环境中稳定准确的应变片。

目前试验中常用的胶粘剂存在使用时间短、对压力变化敏感等缺点，不能满足试验需求。在这方面，我国也已研制出较耐氢气腐蚀的胶粘剂，如氢化丁腈橡胶硫化胶等。但在试验中，这类胶粘剂使用范围小，获取途径难，而且成本较高，不适于广泛应用。另外，在工业实践中，部分工厂采用特定的配方及工艺制取胶粘剂，以应对氢气致胶起泡开裂的情况，但这种方法不够稳定，很难保证试验中的准确性，所以同样不适于试验应用。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的有机胶粘剂在高压氢环境中造成的应变片脱落、零点漂移和蠕变的不足，提供了一种由CrMo膜、AlN-Al₂O₃膜和FeCrMoAl膜构成的用于高压氢环境中的薄膜应变片。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于高压氢环境中的薄膜应变片，包括基底、设于基底上表面上的过渡缓冲层、设于过渡缓冲层上表面上的绝缘层、设于绝缘层上表面上的功能层；基底采用316L不锈钢材料制成，过渡缓冲层为CrMo膜，绝缘层为AlN-Al₂O₃双层膜。

作为优选，所述功能层为FeCrMoAl合金膜。

功能层采用掩模板的方法溅射到绝缘层上。掩模板采用光刻技术，经尺寸设计后由激光加工制成。

一种薄膜应变片的制备方法，包括如下步骤：

（3-1）将经过预处理后的基底置于磁控溅射仪的溅射室内，进行固定和整理；