本研究由厦门大学仪器与电气工程系、机电工程系及福建省微纳制造工程技术研究中心的研究人员主导完成，主要作者包括Lida Xu、Xiong Zhou、Fuxin Zhao、Yanzhang Fu等，通讯作者为Kai Yang（中国空气动力研究与发展中心）、Daoheng Sun和Zhenyin Hai（厦门大学）。该研究成果发表于Journal of Colloid and Interface Science（《胶体与界面科学杂志》）第658卷，于2023年12月23日在线发表，论文接收日期为2023年12月19日。
高温薄膜传感器在航空航天、燃气轮机等极端环境下对关键部件的实时健康监测中扮演着至关重要的角色。这类传感器能够在不破坏被测部件结构完整性的前提下，提供原位、非侵入式的热力学参数测量，包括温度、应变和热流密度等信息。传统的高温薄膜传感器制造方法通常需要复杂的沉积工艺或长时间的高温退火处理，这不仅限制了其大规模生产和集成兼容性，而且对传感器基底和预制结构的耐热性能提出了严苛要求，使得在受限空间内制造大型复杂曲面部件上的传感器变得困难重重。此外，金属基传感器在高温下容易发生氧化，而其替代方案——导电氧化物虽然具有优异的高温稳定性，但其制备工艺同样复杂。
为突破上述局限，该研究提出了一种直接墨水书写与激光扫描相结合的快速制造策略。该方法的核心在于利用先驱体聚合物（preceramic polymer，PP）作为粘合剂配制氧化铟锡/先驱体聚合物复合墨水，通过直接墨水书写（direct ink writing，DIW）实现图案化，随后通过激光扫描在空气中快速实现先驱体聚合物的陶瓷化转变以及氧化铟锡纳米颗粒的烧结，最终形成以相互连接的氧化铟锡导电颗粒为骨架的导电网络。研究旨在验证这一方法在制备耐高温、抗氧化的功能薄膜方面的可行性，并探索其在涡轮叶片表面热流传感器等实际应用中的潜力。
研究首先制备了适用于直接墨水书写的氧化铟锡/先驱体聚合物复合墨水。该墨水由平均粒径200纳米的氧化铟锡粉末与液态碳氮化硅先驱体聚合物按1：1质量比混合而成，经超声分散30分钟和磁力搅拌至少2小时获得。室温下该墨水的表观粘度接近10帕·秒，具有明显的剪切变稀特性，有利于直写成形。通过基于微尺度韦森堡效应的直写平台，将复合墨水直接沉积在绝缘基底上形成图案化薄膜，经300摄氏度固化20分钟后，薄膜厚度可控制在5微米以下。此时薄膜由于氧化铟锡颗粒间缺乏互连且先驱体聚合物不导电而呈现绝缘状态。
随后，使用波长10600纳米的二氧化碳激光器对固化后的薄膜进行原位扫描处理。激光束直径200微米，功率6瓦，扫描速度20毫米/秒，扫描间距0.07毫米。在激光的光热效应作用下，薄膜体积收缩近20%，同时先驱体聚合物快速热解转化为非晶态先驱体陶瓷（polymer-derived ceramic，PDC），填充氧化铟锡颗粒间的空隙，促进氧化铟锡纳米颗粒的快速烧结，最终形成低电阻率的导电网络。系统研究了不同激光能量密度对薄膜电阻率的影响，结果表明在75焦耳/平方厘米时获得最低电阻率0.31欧姆·厘米。COMSOL仿真结果显示该能量密度下墨水区域的最高温度可达1100摄氏度。
为深入分析材料转变机理，研究对比了四种热处理方法：300摄氏度固化、1000摄氏度炉内退火1小时、激光扫描、以及激光扫描后1000摄氏度炉内退火。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征手段对样品的物相、微观形貌和化学组成进行了系统分析。高温电阻测试在蓝宝石管式炉中进行，温度范围覆盖室温至1300摄氏度，使用Keysight 34972A数据采集系统记录电阻变化。应变响应测试采用悬臂梁挠度法，通过高精度步进电机精确控制自由端位移，在室温和高温条件下施加不同大小的应变。最终，研究在涡轮叶片表面演示了基于该方法制造的薄膜热流传感器，热流由1070纳米波长激光源提供，通过分束器同时照射传感器表面和标准热流传感器以进行标定对比。
材料表征结果表明，激光扫描使氧化铟锡/先驱体聚合物薄膜发生了显著的物相和形貌演变。扫描电子显微镜图像显示，未经激光处理的薄膜表面光滑，氧化铟锡纳米颗粒均匀分散；激光能量密度低于50焦耳/平方厘米时，表面粗糙且氧化铟锡颗粒与非晶先驱体陶瓷混合不充分；当能量密度超过50焦耳/平方厘米后，薄膜表面趋于光滑均匀，在75焦耳/平方厘米时达到最佳均匀度且无明显裂纹。X射线衍射结果显示四种热处理样品的特征峰均以多晶氧化铟为主，表明氧化铟锡在不同热处理条件下保持高度稳定，激光扫描与炉内退火所得物相高度相似。透射电子显微镜分析进一步揭示了激光扫描后薄膜中氧化铟锡纳米颗粒通过非晶相粘结实现互连，形成了双相复合结构。
X射线光电子能谱分析揭示了先驱体聚合物在热处理过程中的化学转变。300摄氏度固化样品中检测到氮元素，而经高温处理的样品均未检出氮，表明在空气氛围中发生了脱氮反应。硅的2p谱显示高温处理后主要以硅-氧键和硅-氧-碳键形式存在，碳的1s谱则表现为碳-氧、碳-硅和碳-碳键的贡献。氧含量在激光扫描后较固化样品有所增加，说明碳氮化硅先驱体中的硅-氮和碳-氮键在空气中更易断裂并与氧结合形成键能更高的硅-氧和碳-氧键。锡和铟的X射线光电子能谱显示四种样品特征峰相似，证明激光热处理未改变氧化铟锡中锡和铟的价态和晶格结构。
高温电学性能测试展现了优异的热稳定性。氧化铟锡/先驱体陶瓷薄膜在100至1000摄氏度范围内呈现单调的负温度系数特性，平均电阻温度系数约为-968.1 ppm/摄氏度，且加热冷却循环测试表现出良好的可重复性。在准静态阶梯温度测试中，700、800、900和1000摄氏度下的电阻漂移率分别约为0/小时、0.5%/小时、0.7%/小时和2.9%/小时。在700至1000摄氏度循环20小时后的漂移率仅为3.1%，1000摄氏度恒温25小时后的电阻漂移率为4.7%。极端耐温测试显示薄膜在空气氛围中可承受高达1250摄氏度的温度，当温度升至1300摄氏度时薄膜发生不可逆损坏。这一耐温性能在当前快速制造的导电薄膜中处于最高水平。
应变响应测试结果表明，氧化铟锡/先驱体陶瓷薄膜在室温下对应变具有显著响应，呈现负应变系数，最大应变系数达-6.0。该结果与纯氧化铟锡薄膜的报道一致，进一步证实激光制备的复合薄膜形成了以氧化铟锡颗粒为导电通路的网络结构。在约800摄氏度高温下施加180微应变循环加载时，薄膜仍保持负应变系数特性。然而，由于应变系数呈非线性且电阻温度系数较高，该薄膜在高温应变测量方面的应用受到一定限制。
在涡轮叶片表面的应用演示中，利用直接墨水书写-激光扫描技术成功制备了薄膜热流传感器。该传感器采用多层结构，包括电绝缘层、敏感层和热阻层，利用热阻层厚度差异在敏感层中形成温度梯度，通过惠斯通电桥将电阻变化转化为与热流密度成正比的电压信号。测试结果表明，该传感器对不同热流载荷具有清晰可辨的输出响应，最大可测热流密度超过1兆瓦/平方米，响应时间约0.183秒，且具有良好的循环稳定性和重复性。在丁烷火焰的剧烈热冲击下，传感器仍能正常工作。
该研究成功开发了一种直接墨水书写与激光扫描相结合的快速制造方法，可在空气氛围中原位制备耐高温的氧化铟锡/先驱体陶瓷导电薄膜。该方法的创新之处在于利用先驱体聚合物在激光光热作用下的快速陶瓷化转变和体积收缩，同时促进氧化铟锡纳米颗粒的烧结，在数分钟内即可完成传统炉内退火需要数小时才能实现的材料转变。所制备的薄膜具有单调的负温度系数特性、优异的高温稳定性和1250摄氏度的极端耐温能力，为氧化铟锡作为高温热敏材料提供了新的应用策略。涡轮叶片表面热流传感器的成功演示验证了该方法在复杂曲面部件上集成制造高温薄膜传感器的灵活性和实用性，为航空航天、燃气轮机等极端环境下的结构健康监测开辟了新的技术途径。