高温金属基上Al2O3/CeO2/Al2O3 复合绝缘层的制备及绝缘性能研究

彭小龙，蒋书文，张万里

（电子科技大学电子科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室 四川 成都 611731）

0 引言

航空发动机工作环境恶劣，超高温[1]、超高压、超高速，为确保其工作的性能可靠性、结构安全性、使用长寿命，在其工程研发中识别和掌握关键部件如风扇、压气机、涡轮叶片和盘件的应力分布状态和动应变特性是至关重要的信息[2]。通过研究叶片应变比，从关键点位置的应变即可推测出其他部位的应变，并检测出多种振型。因此，实时监测高温环境下叶片表面，研制稳定可靠高精度的应变测量传感器，研究和发展高温应变测量技术具有重要意义。但是若直接将应变敏感薄膜直接沉积到Ni 基高温合金叶片表面，则会因为两者直接导通而无法测量应变[3]，因此需要在合金叶片表面制备高温绝缘层，以实现薄膜应变传感器功能层与叶片金属基底之间的电绝缘，从而确保薄膜应变传感器的正常工作。

Al2O3薄膜性质稳定、耐磨损、耐高温，高介电常数，从而使得Al2O3薄膜在高温下具有优异的绝缘性能。国内外已有大量学者及相关机构开展了Al2O3薄膜在高温绝缘薄膜材料应用上的相关研究工作，Nakai 等[4]采用离子束化学气相沉积法在镍基合金基底上制备了Al2O3绝缘薄膜，并研究了Al2O3绝缘薄膜的绝缘性能与离子束入射角之间的关系；美国NASA 研究人员的研究表明[5]，对单层薄膜绝缘层经高温处理后，绝缘层出现了较多孔洞和裂纹，大大降低了绝缘层的绝缘性能；杨晓东等[6]采用射频磁控溅射沉积了非晶体的YSZ，再利用电子束蒸发法沉积Al2O3绝缘薄膜，得到具有良好绝缘性和高温稳定性的YSZ/Al2O3复合绝缘薄膜；贺利军[7]在2014 年对电子束蒸发倾斜沉积氧化铝薄膜的结构与性质展开了研究；李瑶等[8]采用直流磁控溅射法在镍基合金上沉积NiCrAlY薄膜，经过1 000 ℃真空析铝后，磁控溅射50 nm Al 薄膜，最后在1 000 ℃下进行高温氧化，形成致密Al2O3热生长绝缘薄膜，并研究了其高温稳定性。

目前，由于单层Al2O3薄膜在极高温下的绝缘性能会大大衰减，因而应用于航空发动机的高温薄膜传感器的高温绝缘层多采用复合绝缘层结构，所以本文首次设计制备了可用于应变敏感层和Ni 基高温合金之间高温绝缘的Al2O3/CeO2/Al2O3复合绝缘层结构，研究其微观结构和高温绝缘性能，提高应变计在高温工作环境下的可靠性[9]。

2 实验

2.1 绝缘层制备及结构表征

本文通过直流反应溅射[10]的方法制备了可用于发动机叶片上的高温复合绝缘层，制备方法如下：（1）将Ni基高温合金基带清洗、干燥后，采用直流磁控溅射的方法在Ni 基高温合金基带表面溅射纯铝靶，靶材尺寸为140 mm×70 mm（工艺参数：靶基距为70 mm，本底真空度5×10-4Pa，反应气体为氩气和氧气，Ar ∶O230 ∶2.5，溅射气压0.4 Pa，溅射功率100 W，溅射时间6 h），得到一层厚度约为0.6 μm 的Al2O3薄膜，然后在800 ℃的低压氧气氛围中退火200 min，从而得到单层Al2O3薄膜绝缘层样品；（2）以氧化铝基片作为基底，采用直流反应溅射纯铈靶，工艺参数：靶基距为70 mm，本底真空 5×10-4Pa，溅射气压0.4Pa，溅射功率100 W，溅射时间1 h，并设置30 ∶10、30 ∶5、30 ∶2 3 组不同氩氧比条件，制备得到单层CeO2薄膜；（3）通过分析（2）中制备的CeO2薄膜性能，选择最优的氩氧比，采用制备该样品的最佳工艺，在（1）中制得的样品表面直流反应溅射纯铈靶得到Al203/CeO2双层复合绝缘层样品；（4）用（1）中相同工艺参数，在Al203/CeO2双层复合绝缘层表面再制备一层Al2O3绝缘层，从而得到Al2O3/CeO2/Al2O3三明治结构复合绝缘层。

采用X 射线衍射仪（X-Ray Diffraction，XRD）对在3 组不同氩氧比条件下制备的单层CeO2薄膜样品进行物相分析以及结晶度分析；采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）对最后制备的3 层复合绝缘层薄膜表面进行表征分析。

2.2 绝缘层性能测试

采用Keithley 2750 数字万用表对复合绝缘层以及单层Al2O3绝缘层样品的高温绝缘性能进行测试。图1 为绝缘层测试样品结构图。在复合绝缘层表面采用电子束蒸发工艺制备两个Pt 电极，工艺参数为：背底真空度5×10-4，电子束流150 Ma，蒸发时间20 min，电极直径约1 mm。最后采用高温铂浆将铂丝固定在Pt 电极表面并在800 ℃下进行高温固化，进而采集电阻信号，样品制备完成后放入高温炉，连接好样品，以5 ℃/min 的升温速率将样品加热至800 ℃，进行高温绝缘性能测试。

3 结果与讨论

3.1 3 组CeO2 单层薄膜样品物相分析

通过X 射线衍射仪（XRD）对3 组不同氩氧比条件下制备的单层CeO2薄膜样品进行物相分析，结果见图2。

结果表明，当氩氧比为30 ∶2 时，CeO2薄膜存在较强（111）衍射峰；而当增大氧分压，氩氧比变为30 ∶5 时，CeO2薄膜（200）衍射峰增强，表现为（200）择优生长；继续增大氧分压，CeO2薄膜各衍射峰相对强度减弱，虽然（200）峰较强，但并无明显的择优生长。对比3 种不同的氩氧比条件，可以发现当氩氧比过高，氩气浓度过高，氧气浓度过低时，溅射反应的程度不够高，氧化也不够充分，因为结晶度不够高，也只在（111）存在较强衍射峰；而氧气浓度进一步提高时，容易发生氧气浓度过高，合成速度过快，因而在靶材表面大量附着绝缘层导致靶中毒的情况发生，进而一定程度上影响反应溅射过程的进行，降低反应速率，结晶性也较普通；而当氩氧比为30 ∶5 时，CeO2薄膜的结晶性最强，致密度也较好，说明该氩氧比条件较为适合，有利于增强CeO2薄膜的附着性，从而提高CeO2薄膜的高温绝缘性能，也有利于提高复合绝缘层的附着性，避免绝缘层薄膜脱落失效的情况发生，所以最后决定选择该条件下的制备工艺作为后续复合绝缘层CeO2中间层的制备工艺。

3.2 单层Al2O3 薄膜的高温绝缘性能分析

测试单层Al2O3薄膜绝缘层的高温绝缘性能，图3 为单层Al2O3薄膜绝缘层高温绝缘性能测试结果。

室温下单层Al2O3薄膜的绝缘电阻达到27 MΩ；当测试温度为400 ℃时，绝缘电阻为5 kΩ；当测试温度升至600 ℃时，绝缘电阻仅为350 Ω，已经失去绝缘效果。单层Al2O3薄膜在超过600 ℃高温下绝缘性能较差，原因可能是随着温度升高，带电粒子通过绝缘层本身存在的缺陷进行迁移，使得绝缘层与合金基底之间直接导通[11]，导致绝缘层短路，不满足涡轮叶片的高温应变测量的绝缘条件，必须要在其表面通过制备复合薄膜绝缘层以达到更高要求的高温电学绝缘效果。

3.3 Al2O3/CeO2/Al2O3 复合绝缘层的薄膜微观结构以及高温绝缘性能测试

通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合绝缘层样品的表面微观形貌，得到的结果见图4。

可以看到绝缘层表面只存在少量突起，大部分区域都较为平整，结构致密，也未观察到微裂纹、空洞等缺陷。薄膜表面存在的少量突起可能是由于部分区域体系为了降低能量而产生Al2O3颗粒聚合生长[12]，导致薄膜在某些区域较为集中生长，形成了一定的不规则突起。

测试复合绝缘层的高温绝缘性能，Al2O3/CeO2/Al2O3复合绝缘层在室温下的绝缘电阻约为116.5 MΩ，400 ℃下的绝缘电阻达到100.1 kΩ；在600 ℃下的绝缘电阻为19 kΩ；进一步提高测试温度到800 ℃，绝缘电阻仍有10 kΩ，较之单层Al2O3绝缘层提高了2 个数量级，这是由于CeO2具有较低的电导率，高温下较为稳定，具备良好绝缘性能，同时不同材料在界面处更容易相互嵌入扩散，可以一定程度上填补氧化铝薄膜存在的孔洞和裂纹等薄膜制备过程中本身存在的结构缺陷，阻止导电离子通过空洞缺陷扩散而使得绝缘层绝缘性能大幅度下降甚至失效；同时由于CeO2与Al2O3热膨胀系数相近，有利于减小热失配产生的内应力从而提高绝缘层附着性，满足了涡轮叶片表面薄膜应变计准确测量应变的高温绝缘要求。

4 结论

本文针对传统单层Al2O3绝缘层在高温下绝缘性能较差的问题，设计并通过直流反应溅射的方法在Ni 基高温合金基底上制备了单层Al2O3薄膜样品，单层CeO2薄膜样品以及Al2O3/CeO2/Al2O3多层复合绝缘层薄膜样品，并测试了其微观结构和高温绝缘性能，发现通过调节溅射氩氧比能够有效地控制CeO2薄膜的结晶生长，并在30 ∶5 的氩氧比下制备CeO2薄膜用于复合绝缘层薄膜的制备。由于CeO2本身优异的高温绝缘性能，同时与Al2O3相近的热膨胀系数更有利于减小两种材料之间的热失配，从而减小应力，使得界面结合更为致密，较少了绝缘层内部微裂纹的产生；在制备过程中两种材料相互嵌入扩散，一定程度上填补了单层绝缘层存在的空洞缺陷，减少了带电粒子在高温下的快速通道。三明治结构的Al2O3/CeO2/Al2O3复合绝缘层在800 ℃温度下的绝缘电阻高达10 kΩ，与单层Al2O3绝缘层的绝缘性能相比提高了2 个数量级，显著提升了高温绝缘层的质量与高温绝性能，为制备性能稳定可靠的与高温合金基底一体化的高温薄膜应变计提供了一定技术依据。