基于磷光光学特性的热障涂层热力参数测量技术

蔡 涛， 赵晓峰，刘应征， 彭 迪

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)(2. 上海交通大学燃气轮机研究院，上海 200240)(3. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240)

1 前 言

热障涂层(thermal barrier coating, TBC)是指在燃气轮机及航空发动机(简称“两机”)中的耐高温合金热端部件表面粘附的一层陶瓷隔热涂层[1]。热障涂层技术已经在“两机”领域广泛使用，为解决材料的高温运行问题提供了有效手段。随着重型燃气轮机向更大单机容量和更高单机运行效率的目标发展，其透平进口温度不断上升，目前已超过1500 ℃。同样，为了追求更高运行效率和更大推重比，航空发动机透平进口温度也在不断上升，目前已接近2000 ℃。如此苛刻的温度环境，对“两机”的安全稳定运行提出了极大挑战。同时，也对相应的试验监测技术提出了极高的要求。目前，高温环境下高精度、快响应测量技术的缺乏已成为“两机”研发过程中的一个瓶颈问题。该问题在以TBC为代表的高温部件的热力参数(温度、应力与应变等)状态监测方面显得尤为突出。

相比于传统测量环境，“两机”内部具有超高温、超高压、结构复杂、高速运动、剧烈振动等特点，它们限制了传统热力参数监测技术的应用。基于磷光光学特性的热力参数测量技术，是近年来快速发展起来的新兴测量方法。它根据材料在激发光照射下发射出的磷光受周围环境热力参数影响的物理机制，建立起磷光信号与热力参数的定量关系。通过实时测量磷光信号，来获取实时的热力参数信息。与热电偶、应变片等传统测量技术相比，基于磷光光学特性的热力参数测量技术具有高精度、非接触、无损探测及瞬态响应等优点，尤其适用于“两机”内部复杂严苛环境下的热力参数测量。在温度测量方面，磷光热像(thermographic phosphor，TP)技术的出现为高温环境下的温度测量提供了新的途径，目前已成功应用于汽车发动机、燃气轮机等动力装置的内部温度测量。在应力/应变测量方面，基于力致发光(mechanoluminescence，ML)的测量技术以其非接触、高灵敏性与全场测量等优点，在各类材料与结构的力学性能测试方面已得到较为广泛的应用。

由于磷光材料与TBC可在一定条件下稳定共存，将磷光测量技术与TBC结合，开发具有热力参数检测功能的新型多功能TBC，是解决“两机”高温部件热力监测难题的一种可行方法。1998年，Choy，Feist和Heyes[2]基于上述思路首次提出了智能感温TBC的概念(Smart TBC)。之后，美国国家橡树岭实验室[3]、NASA[4-6]、英国南方热科学研究所(Southside Thermal Sciences)[7]等多家单位开展了相关研究。经过20多年的发展，目前该技术已逐步成熟并应用于“两机”的叶片及燃烧室的热力参数测量。作者所在课题组近5年来在新型多功能TBC研发方面开展了一系列工作，包括测量原理、材料制备与测量方法等方面的研究，建立了针对温度[8]、应力[9-11]等热力参数及氧浓度[12-14]的磷光测量技术。本文将结合作者团队的研究工作，全面地介绍该技术的发展现状与未来趋势，为相关领域的研究人员提供参考。

2 磷光热力参数测量原理

磷光是大自然中的一种常见现象，其发光过程可以用图1的Jablonski能级图描述。S0、S1、S2表示电子的单重态，T1、T2表示电子的三重态[15]。根据Bell等的模型[16]，处于S0状态的电子是稳定的。任何不处于S0态的电子均属于激发态电子，是不稳定的，它们最终以不同方式回到基态(S0)。以光致发光为例，基态电子在吸收激发光能量后，会跃迁至S1态或者S2态。然而，处于上述状态的电子会通过振动驰豫、内部转换、系统间交叉转换以及其它辐射及非辐射转换全部回到基态。能量转换还可通过光的形式进行。其中，磷光是从第一激发三重态T1回到基态S0所发出的辐射，其能量等式可用式(1)描述为：

图1 光致发光过程的Jablonski能级图Fig.1 Jablonski energy level diagram for the luminescence process

T1→S0+hνp

(1)

此处下标p为磷光phosphorescence的缩写，h是普朗克常量,ν为发射光的频率。

2.1 温度测量原理

图1中，基态能级与激发态能级被简化为水平线，实际情况更加复杂。图2所示为位形坐标曲线(configuration coordinate curves)，其横轴代表离子的位置，纵轴表示电子-离子系统的能量。当温度足够高时，处于激发态的电子可以通过“A-B-E-D-A”路径回到基态(图中黑色实线所示)，而不会发射任何辐射。Ranson等[17, 18]将此行为描述为处于C点位置的电子吸收热能(声子)，能量升高后电子状态到达E点；处于状态E的激发态电子可以进行非辐射的能量转移，非辐射的能量转移在宏观上表现为发光强度的减小，即磷光发射受到温度影响，该机制被称为磷光热猝灭。

图2 位形坐标曲线[17]Fig.2 Configuration coordinate curves[17]

在此基础上，Fonger和Struk提出了一个补充模型来进一步解释不同基体材料的磷光热猝灭行为[17]。根据该模型的描述，位形坐标曲线中存在另一个能量势(电荷转移状态，changer transfer state，CTS)，它高度依赖于所选基质材料的外部晶体场(图中绿线所示)。由于CTS的存在，激发态的电子可以通过CTS曲线返回到基态。电子状态曲线可以与CTS曲线相交，电子转移至更低的能级，而不产生任何辐射发射。或者更进一步，激发态的电子状态通过CTS，直接回到基态，而不产生任何辐射发射。由于不同的基质有着不同状态的CTS曲线，导致不同磷光材料的热猝灭行为存在差异。

磷光热猝灭过程决定了磷光随温度的变化规律。根据Heys等的描述[17]，电子受激发后在激发态不同能级的分布符合Boltzmann分布规律[19]：

(2)

式中，nexc是相应激发态上电子数量，ng是基态上电子数量，ΔE是基态与相应激发态的能量差，k是玻尔兹曼常数，T是温度。由此可建立温度与磷光之间的定量关系，根据该原理可实现温度的定量测量。

表1是磷光热像技术与传统温度测量技术的对比。相较于传统测温技术，磷光热像技术具有非接触、大量程、精度高、分辨率高、不易受环境影响、测量成本低等优点。该方法是以磷光材料为探针进行温度测量，具体包括点测量、二维测量与三维测量等方式。

表1 磷光热像技术与传统温度测量技术的对比Table 1 Comparison of thermographic phosphor technique with traditional temperature measurement techniques

在磷光测温技术发展前期的一些研究中，由于试验设备的限制，未发现氧浓度/氧分压对磷光特性有任何显著影响[20-22]。直到2008年，Brübach等[23]发现了Y2O3:Eu在高温条件下对氧分压显示出了敏感性，随后的研究进一步证实了环境压力(氧分压)对磷光性能存在影响。作者所在课题组[24]详细分析了不同形态的Eu掺杂氧化钇稳定氧化锆(YSZ:Eu)对氧气的敏感性，发现了较为显著的磷光氧敏感特性。随后又研究了Eu，Dy和Sm等稀土元素掺杂YSZ等磷光材料的氧敏感性。通过理论分析和实验结果，解释了磷光发光特性受氧浓度影响的作用机制[12]。上述工作表明，测量环境中氧浓度的变化会导致磷光温度测量的误差，同时为高温下TBC表面的氧浓度或氧分压的测量提供了一条可能的途径。

2.2 应力/应变测量原理

基于磷光的应力/应变测量原理相比磷光测温原理更加复杂。它涉及到磷光发光的长余辉效应和力致发光效应。早期通常使用力致发光强度与施加应力[25]之间的关系来描述应力/应变的作用机制，但缺乏统一的理论模型。其中具有代表性的是基于电子/空穴的捕获-去捕获转化过程的动力学模型[26-28]，主要考虑由机械加载引起的电子或空穴的陷阱脱离过程。Chandra等[29]认为力致发光材料受力后，产生的压电场使得电子陷阱或者空穴陷阱势能降低并导致之前被俘获的载流子释放的过程，是力致发光的基本原因。尽管用应变引起的电子/空穴脱离陷阱过程能够解释力致发光的机理，然而，从应变加载到电子/空穴脱离陷阱的转换过程尚缺乏明确解释。对此，Liu等[30]提出了一种压电效应理论，进一步完善了Chandra等提出的力致发光物理模型[31]。上述模型的局限在于仅能提供定性解释。

作者所在课题组以SrAl2O4:Eu2+,Dy3+(SAOED)磷光材料为研究对象，以Liu等的压电效应理论[30]和Chandra等提出的载流子入阱-脱阱过程[31]为基础，结合Poole-Frenkel效应[32]，提出了能够定量描述力致发光的强度比模型。如图3所示，在发光离子吸收激发光能量跃迁至激发态后，激发态的发光离子并不会立刻以辐射或者非辐射的过程进行能量释放，而是由于其它基团的作用，激发能量发生转移并被存储(被陷阱捕获)[9]。而一个发光晶体中具有能量E的陷阱数量遵循Boltzmann分布[33-36]，如式(3)：

图3 SAOED力致发光过程示意图[9]Fig.3 Schematic of the mechanoluminescence (ML) process in SAOED[9]

(3)

此处，n(E)是带有能量E的陷阱的数量，k是Boltzmann常数，T是温度[36]，nall是在晶体中陷阱的总数。随后能量在热释作用下缓慢释放，在宏观上将观察到较长时间的磷光衰减过程(该过程称为余辉发射)。余辉强度I(t)是与晶体中陷阱数目相关的，如式(4)：

I(t)=kcnall·Cc

(4)

此处，kc是余辉强度与空穴陷阱数目的关系因子[37]，Cc是晶体浓度。余辉发射过程中，如果应力被施加到材料上，局部的应力将产生压电场[35, 38]。电场强度可以由式(5)计算：

F(t)=kd·ε(t)

(5)

此处kd为压电系数，ε(t)为瞬态变形量。由于Poole-Frenkel效应[32]，该压电场可以降低存储能量的陷阱的深度，如式(6)：

(6)

β=2(e3εrε0/4π)1/2

(7)

式中，F是电场强度，ΔE为陷阱深度降低量，e是单位电子单位电荷，ε0是自由空间的介电常数，εr是高频介电常数。陷阱深度的降低将导致部分被捕获能量的释放，释放的被陷能量总数可以根据式(8)计算：

(8)

在宏观上即表现为余辉亮度的突然增强(力致发光)[9]。施加的应力与材料产生的压电场呈一定比例关系，所以可以根据力致发光的强度来衡量所施加应力的大小，如式(9)所示：

(9)

式中，I0是余辉强度，ε(t)和σ(t)分别是瞬态应变和瞬态应力，一般在应力测量(加载)前获取，Ia是应力加载后测得的磷光强度，系数A与B仅与环境温度有关。具体理论推导过程请参见相关论文[9, 10]。

与传统的应力测量技术相比(表2)，基于力致发光的磷光应力传感器具有非侵入性、成本低和空间分辨率高等优点。

表2 磷光应力测量技术与现有应力测量技术的对比Table 2 Comparison of ML-based stress measurement technique and existing stress measurement techniques

2.3 具有热力参数检测功能的新型TBC概念

磷光测量本身具有较长的发展历史[39]，而将磷光测温与TBC相结合，这一概念最初是由Choy，Feist和Heyes在1998年提出[2]。TBC材料通常为YSZ，而YSZ可被少量稀土元素掺杂改性[40]，所合成的磷光材料具有测温功能。传统的TBC结构如图4a所示，它由金属粘结层(bond coat)、热生长氧化物层(thermally grown oxide，TGO)和表面陶瓷层(top coat)组成[1]。而具有热力参数检测功能的新型TBC结构如图4b所示，为了避免破坏原有涂层性能，通常只在涂层内部小范围内掺杂稀土元素进行改性或在顶层喷涂磷光材料，这样TBC整体的力学与隔热性能仍保持不变。

图4 传统TBC(a)与具有热力参数检测功能的TBC(b)结构示意图Fig.4 Structure schematics of traditional TBC (a) and designed thermomechanical sensing TBC (b)

2006年，Gentleman等[41]评估了红外法、Raman法以及磷光测温法3种方法对TBC温度的检测性能，认为磷光测温具有测温范围广、信号强等特点，在适用范围上比前两种技术更有优势。该技术在发展前期主要用于TBC表面的温度测量，随后拓展至TBC内部的温度测量，尤其是金属粘结层与热氧化物生长层，因为此处是TBC最容易产生损坏的位置。Eldridge等[3]使用Y2O3:Eu作为磷光传感层实现了100 μm厚、YSZ的TBC下层的温度测量。Chen等[42]使用Dy掺杂的YSZ成功实现了50 μm、YSZ的TBC下层的温度测量。为了在测温的同时获取TBC的热通量，具有两层甚至多层磷光传感层的TBC概念陆续被提出，即在TBC的不同深度掺杂不同的磷光层，从而获取TBC的温度梯度，进而得到其热通量。其中具有代表性的是Gentleman等的“彩虹传感器”(rainbow sensors)TBC[43]。随后，Nada等制备了双层磷光测温TBC，使用20 μm左右的Dy掺杂YSZ和Y2O3:Eu分别测量了300 μm的YSZ上下两侧温度[44]。此外，Copin等还发展了3层磷光测温TBC[45]。但就目前的实际应用情况来说，单层的磷光TBC测温技术相对成熟，而两层或者多层的测温TBC，由于受限于材料及检测技术，目前还处于实验室开发和试验阶段。

3 材料和制备

磷光材料是磷光测量技术的基础，而性能优越的磷光TBC涂层则是实现高精度热力参数测量的关键。本节将先后介绍用于温度与应力测量的磷光材料，以及新型多功能TBC的制备方法。

3.1 温度测量用磷光材料

早期用于制备磷光TBC的材料主要有Feist等提出的Dy掺杂YSZ[46]和Eu掺杂YSZ[47]，但它们的测温上限在当时不超过1000 ℃，另有部分材料的测温上限有望达到1300 ℃，但尚未进行详细测试[42]。随后，Skinner等采用分布在YSZ内的Y3Al5O12(YAG):Dy进行TBC温度测量[7]，将测温上限提升到了1200 ℃。与此同时，磷光测温TBC的稳定性也得到关注。有研究认为稀土离子的掺杂浓度会影响掺杂的氧化锆涂层的稳定性和发光性能[48]。因此，在控制稀土掺杂浓度的同时，开发稳定的磷光TBC新基质成为新的研究焦点。期间开发的磷光测温材料有YAG:Ln、稀土掺杂的磷酸盐(如LnPO4)、以Al2O3为基质的TBC[49]、稀土掺杂的Y2O3以及低导热性氧化物Y4Zr3O12等[50]。

目前用于TBC测温的磷光材料分为两大类：YSZ:Ln3+(镧系元素掺杂的氧化钇稳定氧化锆)和YAG:Ln3+(镧系元素掺杂钇铝柘榴石Y3Al5O12)。

氧化钇稳定氧化锆是一种非常稳定的材料，它在极高的温度下(2700 ℃)仍能保持较好的热稳定性，是TBC的常用材料之一。将少量稀土氧化物掺杂进氧化钇稳定氧化锆(1%左右，摩尔百分数)，可以形成耐高温的磷光粉。几种典型的镧系元素掺杂的氧化钇稳定氧化锆包括YSZ:Er、 YSZ:Sm、 YSZ:Eu以及YSZ:Dy。图5所示为以上4种磷光材料的衰减寿命-温度曲线[51]，它们的工作温度基本涵盖了从室温到1200 ℃超高温的温度范围。

图5 几种常用YSZ：Ln3+磷光材料的衰减寿命-温度曲线[51]Fig.5 Lifetime-temperature curves for different Ln3+ doped YSZ[51]

钇氧化物与镧系氧化物共掺是产生高强度磷光测温材料的重要方法之一，如前面提到的YSZ:Ln3+等。另一种重要的基体是YAG。图6为几种常用的YAG:Ln3+的衰减寿命-温度曲线[51]，可以看到YAG:Dy的测量范围已经达到了1700 ℃。该测量上限已经满足了大部分“两机”的内部运行温度条件。因此，它也是未来超高温TBC磷光测量的首选材料。

图6 几种常用YAG:Ln3+的衰减寿命-温度曲线[51]Fig.6 Lifetime-temperature curves for several Ln3+doped YAG[51]

3.2 应力测量用磷光材料

材料对外界施加的机械应力产生发光反应是一种常见现象，例如有50%的无机盐在受到机械应力断裂时会发出磷光[28]。然而，此类材料在受到机械应力时所发出的磷光强度普遍较低。在力致发光材料的开发过程中具有里程碑式意义[56]的工作是，Matsuzawa等[57]在1996年发现，在SrAl2O4:Eu2+中添加Dy3+离子后，其余辉强度得到显著增强。随后，应力磷光材料的研究得到迅速发展，在应力可视化的试验中得到成功应用。Akiyama等对SrAl2O4:Eu2+(SAOE)、 Sr3Al2O6:Eu2+,Dy3+[58]和SrAl2O4:Eu2+,Dy3+(SAOED)[59]等应力磷光材料及其应用开展了一系列研究，并发现SAOED是其中最高效的材料。他们提出的另一种高效应力磷光材料是ZnS:Mn[60]，目前在应力磷光测量领域也得到了广泛的使用。此外，性能较好的应力磷光材料还包括ZnS:Cu[61]、 ZnGa2O4:Mn(ZGO:Mn)[62]、MgGa2O4:Mn(MGO:Mn)[62]、Ca2Al2SiO7:Ce[63]等。

SAOED是一种非常高效的长余辉材料。所谓长余辉是指在激发光关闭后，还能持续长时间地发射磷光。图7为不同应变速率下SAOED掺杂树脂的应力-磷光强度曲线[9]。SAOED对应力非常敏感，是最常用的应力磷光测量材料之一。

图7 不同应变速率下SAOED的应力-磷光强度曲线[9]Fig.7 Stress-image intensity curves for SAOED under different loading rates[9]

ZnS:Mn在压力测量，尤其是2D压力感知方面同样拥有非常优异的性能。ZnS:Mn依靠Mn2+的跃迁发光，其发射谱带很宽，跃迁主要发生在4T1到6A1 的跃迁，而且强烈依赖晶体场所处的环境。

3.3 磷光TBC制备技术

制备TBC磷光测试涂层的关键是将磷光TBC材料喷涂于涂层结构中的特定位置[51]。对比最常用的电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术和空气等离子喷涂(APS)技术：前者涂层厚度控制精度高，制备的涂层透光性好，但制备流程复杂、成本较高；后者涂层厚度控制难度大，涂层透光性相对较差，但制备流程相对简单、成本较低。Eldridge等的研究表明，与相同厚度的APS涂层相比，EB-PVD涂层由于其较为规则的柱状结构，具有更好的透光性能[5]。因此在早期的研究中，大量使用了该技术制备磷光TBC[46, 64-68]。随着激光性能的提升与测量技术的发展，APS技术也被证实能够用于制备磷光TBC[8, 40]。作者所在课题组采用APS技术分别制备了Eu和Dy掺杂YSZ的磷光TBC，成功实现了0到300 μm厚度范围的TBC下层测温[8]，测温上限为1000 ℃左右。图8为采用APS技术制备的磷光测温TBC在紫外激发光下的显微照片，其中的测温层在紫外光激发下发射出红色磷光。

图8 采用APS技术制备的磷光TBC在紫外光激发下的显微照片Fig.8 Micrograph of temperature sensing TBC based on phosphore-scence prepared by APS technique under ultraviolet light excitation

4 测量方法

4.1 测量系统

磷光TBC热力参数测量技术的典型测量系统包含激发光源、磷光涂层与光信号接收器3个主要部件。首先将磷光材料喷涂于待测TBC表面或内部；随后采用适当波长的光用于激发该磷光材料；磷光材料被激发后发射出与热力参数相关的磷光信号，并最终被接收器所采集。如图9所示[8]，由Dy3+掺杂的YSZ制备的磷光测温层被喷涂于TBC底部，在温度测量过程中，激发光激发底部的YSZ:Dy3+磷光层，受到激发光激发后YSZ:Dy3+层发射出磷光，该信号随温度变化并被外部的接收器接收。接收到的磷光信号经过处理，便可得到温度信息。对于不同的测量需求，可以采用不同的稀土磷光材料或者改变其喷涂位置。例如，对于应力测量，可以使用力致磷光材料SAOED等。

图9 磷光TBC测温示意图[8]Fig.9 Schematic diagram of phosphorescence-based temperature measurement of smart thermal barrier coatings[8]

4.2 温度测量方法

基于磷光的温度测量方法主要可分为强度法和时域法两种。

强度法基于热力参数与磷光强度的定量关系[69]。测量仪器可选择一维的点测量工具，如光谱仪、光电倍增管(PMT)等，也可选择二维的CCD相机或CMOS相机。磷光强度容易受到激发光光源强度、探测器位置以及周围环境干扰光的影响。对此，可采用两个探测器，同步测量两个不同波段的磷光信号，并取其比值作为与热力参数建立联系的依据，即强度比法[70]。该方法能够有效消除前述干扰因素的影响，在温度测量中得到广泛使用。

时域法的依据是脉冲光激发下磷光随时间的变化(即磷光寿命)与热力参数的定量关系。图10为磷光对脉冲激发光产生响应的4个阶段[71]：其中上升区域(I)与衰减区域(III)的变化都与其所处的环境中的热力参数有关。鉴于上升区域时间较短，对探测器采样频率要求较高，故相应的上升时间法[72](rise time method)使用较少。最常用的是基于衰减区域磷光变化的寿命法(lifetime method)[73]，即通过捕捉衰减区域内的磷光衰减时间进行测温。该方法具有自参照特性，测量精度高且不易受到外界环境影响。

图10 磷光材料对脉冲激发光的4个响应阶段[71]Fig.10 Response stages of the phosphorescence to a pulsed excitation light[71]

以上讨论的是几种常用的磷光测温方法，此外还有基于斯托克斯位移的峰值移动法[74]，及与寿命法原理类似但激发光源为正弦信号的频移法[75]等等，由于使用并未普及，故本文不再详述。

4.3 应力测量方法

如2.2节所述，基于磷光的应力测量原理与测温相比更为复杂。相关研究主要聚焦于建立磷光光强与机械载荷所产生的应力条件之间的定量关系，并在此基础上发展测量方法[76-78]。基于日本国立先进产业科学技术研究所Matsuzawa等[57]提出的磷光应力测量原理，Kim等[76]提出力致发光过程是由瞬时负载的变化触发，并建立了包含有瞬时加载速率项的速率方程来定量描述外界施加的机械载荷。然而，该模型仅考虑瞬时应力加载速度的因素，难以准确描述力致发光的过程。Rahimi等综合考虑了应力和应变，提出了更为完整的力致发光转换模型(mechanoluminescence transduction model)[77]。在该模型中，总的力致发光被分为净力致发光发射、无应力磷光发光衰减和附加应力诱导磷光衰减3部分。该模型虽然与应力测量试验结果吻合较好，但其数据标定过程较为繁琐，并且模型中所包含的大量高阶多项式缺乏明确的物理意义。Someya等[78]在测量了不同瞬态载荷下力致发光材料的衰减寿命曲线后，提出了一种基于衰减寿命的应力测量方法。与温度测量中的寿命法类似，力致发光材料的余辉在受到应力后会急速上升然后下降。该研究认为其下降的寿命衰减时间与应力成正比，与加载速率成反比。作者所在课题组提出的强度比模型[9]，在实际测量中使用相对简便，仅需测量无应力作用时的余辉强度以及力致发光强度，根据其比值便可定量得到应力与应变。

5 磷光TBC的应用

5.1 磷光TBC温度测量

目前磷光测温TBC大部分仍处于实验室研发阶段，其中英国在该领域处于领先，并已在燃气轮机[79]以及航空发动机[80, 81]上开展了初步应用。例如，2013年英国南方热科学研究所首次报道了在全尺寸喷气发动机上应用磷光TBC测温的工作[81]。随后，在前述工作基础上开发的发动机在线温度监测系统[82]，先后被应用于劳斯莱斯的毒蛇发动机(Rolls-Royce Viper)[83]以及英国迪德科特(Didcot)发电场的燃气轮机[84]。

近年来，美国NASA Glenn研究中心在该领域也取得显著进展[85, 86]。Eldridge等前期使用磷光对TBC的损伤进行测量[4, 6, 87]，同时开展了大量温度测量的应用研究[88]。最近，他们尝试了大量新型磷光材料，包括Cr掺杂的GdAlO3[89]、YSZ:Er[90]等，并将其应用于带气膜冷却的TBC温度测量，目前测温上限已超过1700 ℃[91]。在配合使用光纤探测设备的条件下，NASA甚至已经初步实现了运行工况下涡轮叶片表面温度测量[85]。

5.2 磷光TBC应力测量

应力测量磷光材料目前主要处于实验室研发阶段，目前已初步开展了应用研究的有SAOED、ZnS:Cu和ZnS:Mn等几种具有灵敏响应的材料。韩国在应用方面处于较为领先的位置[92]。Ji等研究了由大体积SAOED陶瓷烧结的圆盘状CT(compact tension)试件的断裂，直接观察到了伴随着桥接应力而快速扩展的裂纹生成过程[93]。随后他们将力致发光材料喷涂于各种陶瓷CT试件表面，如Al2O3、Si3N4、锆基陶瓷等，能够实时显示裂纹的快速扩展、裂纹尾迹的桥接应力分布等[94, 95]。Xu等在开发多种新型应力磷光材料的同时，应用磷光应力测量技术进行了一系列裂纹和缺陷可视化研究[96-100]，已初步实现了应力应变的高精度动态测量[101]。作者所在课题组最近开发了一种高敏感度力学感应陶瓷(见图11)[102]，并将其与TBC相结合，应用于TBC失效研究。如图12所示[11]，采用该技术可准确捕捉TBC加载过程中导致裂纹出现的应力集中，从而直观获取TBC的失效过程。

图11 应力感应TBC的微观结构[102]Fig.11 Microstructures of stress sensing TBC[102]

图12 TBC失效前后磷光响应[11]:(a)失效前，(b)失效后Fig.12 Phosphor response of TBC failure[11]: (a) before failure, (b) after failure

6 结 语

与传统接触式测量方法相比，基于磷光光学特性的TBC热力参数测量技术具有显著的优势。然而，由于现阶段测量原理与方法仍有待完善，其应用受到一定限制。开发适用于高温环境下的高精度、低成本且鲁棒性好的磷光TBC非接触式热力参数测量技术，将为TBC所涉及的复杂流动传热与结构强度问题的机理研究以及燃气轮机/航空发动机技术的发展提供有力支撑。

基于磷光光学特性的TBC热力参数测量技术，在未来应在以下3个发展方向加快研究：

首先是新型材料的开发，即开发高发光效率、耐高温、高稳定性的磷光材料。

其次是测量技术的提升，这一方面依赖于高性能激光光源与高灵敏度磷光探测器的研发，同时需要发展高效率、高精度的测量方法。

最后是测量技术由实验室开发向实际应用的转化，在此过程中需要解决燃气轮机/航空发动机模拟运行中的技术困难，最终实现TBC热力参数状态的在线监测。