陶瓷壓力感測器

抗腐蝕的陶瓷壓力感測器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連線成一個惠斯通電橋（閉橋），由於壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式感測器相兼容。

基本介紹

• 中文名：陶瓷壓力感測器
• 特點：溫度穩定性和時間穩定性
• 補償溫度：0～70℃
• 組成部分：瓷環、陶瓷膜片和陶瓷蓋板

工作原理

通過雷射標定，感測器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，感測器自帶溫度補償0～70℃，並可以和絕大多數介質直接接觸。

基本結構

陶瓷壓力感測器主要由瓷環、陶瓷膜片和陶瓷蓋板三部分組成。陶瓷膜片作為感力彈性體，採用95%的AL2O3瓷精加工而成，要求平整、均勻、質密，其厚度與有效半徑視設計量程而定。瓷環採用熱壓鑄工藝高溫燒製成型。陶瓷膜片與瓷環之間採用高溫玻璃漿料，通過厚膜印刷、熱燒成技術燒制在一起，形成周邊固支的感力杯狀彈性體，即在陶瓷的周邊固支部分應形成無蠕變的剛性結構。在陶瓷膜片上表面，即瓷杯底部，用厚膜工藝技術做成感測器的電路。陶瓷蓋板下部的圓形凹槽使蓋板與膜片之間形成一定間隙，通過限位可防止膜片過載時因過度彎曲而破裂，形成對感測器的抗過載保護。

基本特性

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗衝擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度範圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷感測器將是壓力感測器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型感測器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷感測器替代擴散矽壓力感測器。

適用場合

過程控制、環境控制、液壓和氣動設備、伺服閥門和傳動、化學製品和化學工業及醫用儀表等眾多領域。

熱噴塗耐高溫陶瓷塗層最能體現熱噴塗技術特點，套用效果最突出，是影響最大

的一個套用領域。

1.熱障塗層(TBCs)

燃氣輪機的受熱部件，如葉片、噴嘴和燃燒室處於高溫、氧化和高速氣流沖蝕等

惡劣環境中。對於承受溫度高達1 100 ℃的燃氣輪機部件，已超過了鎳基高溫合金使用

的極限溫度(1 075 ℃)。有效辦法就是塗覆絕熱性好的高熔點陶瓷塗層，為高溫合金基

體穿上“防火鎧甲”，起絕熱禁止作用。這稱為熱障塗層。

熱障塗層的基本要求是：(1) 耐高溫；(2) 抗高溫氧化；(3) 與金屬基體結合牢固；

(4) 熱導率低，絕熱性好；(5) 熱膨脹係數與金屬基體匹配好，耐熱循環次數高。實踐表

明，採用MCrAlY合金作粘結底層，噴塗Y2O3部分穩定的ZrO2絕熱陶瓷塗層，塗層堅

硬、緻密，抗高溫燃氣沖蝕和抗熱震性能優異，即使在1 650 ℃高溫下長期使用，其熱

穩定性和化學穩定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能進一步改善塗層的抗熱震性

能。在使用溫度更低一些的情況下，可採用MgO或CaO穩定的ZrO2作熱障陶瓷障礙

層。

對熱障塗層的粘結底層進行預氧化處理，對熱障陶瓷塗層進行滲鋁處理，對面層

陶瓷塗層進行雷射重熔改性處理以及發展多層或梯度功能塗層，是熱障塗層領域的一

些最新發展。

熱障塗層主要用於航空、艦船及陸用燃氣輪機的受熱部件，現正推廣套用於民用

內燃機、增壓渦輪、冶金工業用噴氧槍等領域。

2　可磨耗密封塗層

現代航空發動機採用壓氣機使空氣增壓升溫，高溫壓縮空氣進入燃燒室使燃料充

分燃燒是提高發動機的功率和熱效率的主要措施之一。採用熱噴塗技術在壓氣機渦殼

內表面噴塗可磨耗密封塗層，與壓氣機葉片尖部的硬質塗層形成一對可磨耗密封磨損

副，在運行過程中能形成理想的徑向氣流間隙，獲得最大的壓差，從而顯著提高發動

機的功率，降低航空汽油的消耗，提高發動機整機一次試車合格率。這是熱噴塗技術

在航空發動機領域重大的套用成果之一。

隨著壓縮空氣溫度的逐級升高，可磨耗密封塗層的使用溫度從300 ℃提到1100 ℃，

現代可磨

耗密封塗層的最高溫度已達1350 ℃。AlSi-聚苯脂、鎳/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、

Y2O3

．ZrO2-BN等複合粉末系列材料已獲得成功的套用。其中，尤以高溫可磨耗密封塗

層的工作條件最為惡劣，要承受1 000～1 350 ℃的高溫，遭受2～3倍音速的高溫氣流的

沖蝕，受到超過300 m/s線速度的葉片尖部刮削而不會發生剝落。因此，除了必須具備

耐高溫塗層應有的耐高溫、抗氧化、耐熱震、呈化學惰性、結合牢固的性能外，其最

主要的特點就是質軟(通常塗層的表面洛氏硬度在50～80 HR15Y)、多孔(孔隙率約為25%

～30%)。

熱噴塗可磨耗密封塗層技術可用於壓縮機行業的旋轉壓氣部件的間隙控制等民用

工業領域。

3　抗高溫粘著磨損塗層

退火爐輥、熱處理爐爐輥、連鑄機拉伸輥、支承輥、燒結爐輥等高溫輥子，多在

800～1 200 ℃高溫下運行。在這樣的高溫下，鋼鐵軟化並在表面生成氧化鐵鱗，同時爐

輥的高溫硬度也顯著降低。當軟態的高溫鋼件特別是鋼帶在爐輥上運動甚至輕微滑動

時，就會因高溫粘著而產生結瘤，這種結瘤在剪下力的作用下脫落為磨料，使鋼件(帶)

表面產生劃痕、劃傷、犁溝、凹陷等缺陷。這些缺陷在後續的表面光軋輥上往往難以

消除，將最終影響熱軋鋼帶的質量。

採用高速燃氣火焰噴塗(HVOF)、爆炸噴塗(DGS)或等離子噴塗技術，在高溫爐輥

表面噴塗特種陶瓷或金屬陶瓷塗層，具有優異的耐高溫、抗氧化、抗粘著、防結瘤和

自清理淨化性能，既可顯著提高爐輥使用壽命，又能生產表面光潔質量優良的鋼材，

如優質矽鋼板、優質汽車薄板和熱浸鍍薄板等。熱軋不鏽鋼帶退火爐爐輥，噴塗含BN

的金屬陶瓷塗層，其耐高溫磨損性能可提高4倍以上。

在日本，鋼鐵工業套用熱噴塗技術的主要對象是各種輥子，熱噴塗的輥子占全部

熱噴塗部件的85%以上，具有極其顯著的技術經濟效果。如退火爐導輥，過去平均每月

停機檢修30 min，噴塗後則可保持3年內不檢修，並極大地提高了帶鋼的品質。日本鋼

鐵公司熱噴塗退火爐輥的比率，從1982年時的20%上升到1989年的100%，而帶鋼因結瘤

等引起的廢次品率則由80%下降到0。

4　抗高溫熔融金屬或熔體侵蝕塗層

各種金屬熔煉用爐襯材料，基本上都是陶瓷耐火材料，這是因為它不僅具有熔點

高、高溫化學性能穩定等特點，還具有與熔體潤濕角小、甚至不潤濕的特點。利用這

些特性，對在熔池內使用的金屬製件如熱浸鍍槽內的沉沒輥、穩定輥，熔池攪拌器、

吹管、熱電偶套管、熱壓鑄模具等表面，噴塗耐火陶瓷或金屬陶瓷塗層，就能獲得性

能優異的耐高溫熔融金屬或熔體侵蝕塗層。例如，熱浸鍍鋁槽內的沉沒輥和穩定輥，

由於鋁液具有極高的化學活性，能與多種金屬發生鋁熱反應形成金屬間化合物，被稱

為金屬的“溶劑”。因此，金屬合金爐輥在鍍鋁槽中腐蝕極快，使用壽命僅5～10天。

採用熱噴塗特種陶瓷塗層，德國人認為是唯一有效的解決辦法，使用壽命可提高到20

～30天。

5　抗腐蝕磨損

石油、化工、製藥、造紙、印染、冶金、建材、海洋開發、環保等部門使用的許

多機械設備，因受到各種化學介質、腐蝕性氣體和海水等的作用而被腐蝕，腐蝕產物

成為磨粒，與外來微粒或粉塵，或介質生產過程中的結晶晶體一起，都能使相對運動

的機械零部件的表面之間既產生腐蝕又產生磨損。磨料使金屬表面產生“犁

皺”、“劃傷”而裸露新生表面使腐蝕加速，腐蝕產物又成為磨粒加速磨損。由於腐

蝕和磨損同時起破壞作用，相互促進，更加快了這類機械零部件的過早失效，甚至釀

成重大事故。

在腐蝕磨損工況條件下，不鏽鋼或鈦合金的耐蝕性雖好，但不耐磨。工業上廣泛

採用鍍硬鉻，但鍍硬鉻存在三大缺點：

(1) 工藝流程長，工序多，占地面積大，沉積速率低，難於沉積厚塗層。

材料保護990119

(2) 在260 ℃以上，鍍鉻層會發生軟化，耐磨性顯著下降。局部無油臨界潤滑或磨

粒劃傷都會使鍍層出現局部過熱而軟化，拉成溝槽；

(3) 環境污染。鍍鉻中產生的幾種危害環境的有毒廢棄物(如六價鉻等)加劇水、土

壤和空氣的污染。鉻的化合物大都含有較強的致癌物質，其毒性比業已在大部分工業

上禁止使用的亞甲氯化物還高4個數量級。顯然，儘可能取代電鍍硬鉻技術已成為迫在

眉睫的任務。

熱噴塗陶瓷塗層和金屬陶瓷塗層不僅具有高的硬度，優異的耐蝕性，而且摩擦系

數小，能耗低，對密封填料的磨損小，塗層硬度和耐磨性不會因為局部過熱而降低。

因此，它在抗腐蝕磨損領域正在成為電鍍硬鉻技術的最強有力的競爭者和取代者。例

如，化工廠用高壓往復計量泵柱塞，採用等離子噴塗Al2O3．TiO2複合氧化物陶瓷塗

層，其使用壽命比原用鍍鉻柱塞提高6倍，密封填料的壽命也提高3倍。大型水庫、水

電站及海洋開發用液壓啟閉機液壓缸的大型活塞桿，採用等離子噴塗陶瓷塗層代替鍍

硬鉻，可以達到高質量、長壽命、免維修，在德國已成為這一領域的先進制造技術，

已製造出長16 m、重10 t以上的超大型陶瓷塗覆活塞桿及相應的液壓啟閉機。大

型推土機用液壓活塞桿、軋鋼機用液壓活塞桿、建築瓷磚壓坯用液壓機活塞桿、水輪

機葉輪軸和磨環、電樞軸頭、磨床軸、燃油泵軸、抗咬死軸套、活塞環、凸輪隨動件

等，在低應力滑動磨損和腐蝕工況下，幾乎所有原用鍍鉻的製品都可以用熱噴塗陶瓷

或金屬陶瓷塗層代替。

6　耐纖維磨損塗層

6.1　耐紡織纖維磨損陶瓷塗層

現代紡織機械特別是化纖機械，向高速、輕質、節能方向發展。紡絲過程中，各

種導絲、紡絲部件，為了減輕重量，提高轉速和降低能耗，多採用鋁合金製造，其表

面遭受很細的高速化纖絲(達700～1 000 m/s)的磨損而形成溝槽，更換不僅造成停機損

失，而且影響紡絲的質量和等級。

在化纖紡機的導絲部件表面，採用等離子噴塗Al2O3基複合陶瓷塗層，經處理獲

得“桔皮狀”外觀形貌，達到Ra約為1.5 μm的表面粗糙度。這種陶瓷塗層的突出特點

是：

(1) 具有優異的耐高速纖維磨損的性能，使用壽命比鍍鉻件提高5倍；

(2) 具有適度的摩擦力，能對纖維施以適度的“捻力”，使纖維達到必要的強度和

韌度；

(3) 具有適度的表面粗糙度，能使纖維獲得必要的“絨度”，達到染色性能好，有

一定的吸濕性等。

由於陶瓷塗層的這些特點，使化纖機械關鍵基礎零部件的壽命比原用鍍鉻件提高

了5倍，生產達到了一個新的水平。捷克國套用這一技術，使其化纖機械的出口更具競

爭性。

6.2耐金屬拉絲磨損塗層

金屬拉絲工業如鋼絲、鋼絲繩和電線電纜生產等都使用大量的導絲輪和輥。金屬

絲在其表面高速滑動並發生冷作硬化，對導輪接觸面產生很強的摩擦磨損，以致產

生“犁溝”、凹坑等缺陷，造成壽命低，更換維修頻繁並影響拉絲質量等弊端。採用

超音速火焰噴塗或爆炸噴塗技術，在金屬拉絲導輪表面噴塗含Wc的硬質合金塗層，具

有很高的硬度和耐磨特性，壽命提高5～10倍，獲得了很大的成功。

6.3　親水與介電塗層

現代造紙和印刷機械，儘管運行速度很高，但因負荷輕，故均處於低應力狀態，

特別適用於熱噴塗塗層。

等離子噴塗陶瓷塗層技術，在國外的造紙和印刷機輥子上已成功套用多年，套用

面正日益擴大，這是因為陶瓷塗層具有許多特點：高耐磨蝕性；高選擇性潤濕性、親

水性；高電絕緣與介電性；高防粘性；高可刻蝕性及圖紋清晰性；保持適度粗糙度的

紙張咬入性等。

例如彩色膠印機水輥噴塗陶瓷塗層，不僅耐磨、耐油墨腐蝕，且經刻蝕後留下的

陶瓷塗層部分，由於親水性好，能在其表面形成一層薄薄的水膜，防止油墨混入，無

陶瓷塗層的刻蝕輥面則為油墨覆蓋，因而能獲得圖像清晰的彩色印刷品，不串色。又

如塑膠薄膜電刻蝕用電暈處理機輥子，需要在1～2×104 V下運行。輥子表面噴塗高介

電陶瓷塗層，滿足了這一需要。

等離子噴塗陶瓷塗層的表面粗糙度，噴塗約為2～5 μm，磨削後可達Ra 0.13～0.20

μm，精研後可達0.03～0.10 μm，可滿足不同等級紙張生產的需要。

從以上幾個套用領域足見，熱噴塗高性能陶瓷塗層具有廣闊的市場和巨大的經濟

效益。

在高新技術領域的套用及潛力展望

熱噴塗高性能陶瓷塗層技術，正在高科技領域展露頭角，它將帶動和促進一系列

高科技技術的發展和興起。高溫超導體製件具有高臨界電阻溫度的複合氧化物超導陶瓷材料的發現，是80年代材料領域的重

大突破。釔鋇銅氧超導陶瓷材料的零電阻溫度tc>90 K(高於液氮溫度)，磁轉變溫度tB>

96 K。

等離子噴塗超導陶瓷塗層獨特的優點為：沉積速率高，容易製備厚塗層和大面積

塗層，能夠噴塗具有複雜形狀的超導製件，可直接在大氣中噴塗，不需保護氣體，是

實現超導材料實用化的很有希望的工藝。等離子噴塗釔鋇銅氧(YBaCuO)、鉍鍶鈣銅氧

(BiSrCaCuO)超導陶瓷塗層都已有套用成功的報導。在磁禁止、微波元件、各類感測

器、量子電子器件等方面，展示出很好的套用前景。

採用等離子噴塗技術製造濺射用靶材，如用於物理氣相沉積(PVD)的釔鋇銅氧

(YBa2Cu3Ox)靶，能夠製造出高性能的超導薄膜，其臨界電流密度高達105～106 A/cm2。

6.4 在微電子工業中

金屬-陶瓷複合材料是微電子工業基板材料的一種理想材料。在金屬板(如科伐合

金、銅、鋁、鋼)上熱噴塗絕緣陶瓷塗層，具有高熱導率的金屬能將強電流所產生的熱

發散開，而陶瓷塗層則提供很好的介電絕緣性能。以銅板上噴塗Al2O3陶瓷塗層為例，

其總熱導率比在相同厚度銅板上燒結氧化鋁層的總熱導率高5倍，這十分有利於集成電

路板的散熱和提高功率。美國已能噴塗25 mm×25 mm介電陶瓷塗層複合電路板，並達

到5×104件的批量生產規模。

6.5 生物醫學功能陶瓷塗層

人們生活水平的提高和人類平均壽命延長對人工骨骼的需要日增。

以前採用不鏽鋼或鈦合金等金屬骨架，鑲植入人體內以替換損壞的骨骼，但存在

耐體液腐蝕性不足，與肌肉細胞組織不親合而產生積水等問題。

現代研究表明，構成生物體硬組織的晶體是磷灰石類無機陶瓷材料。

在金屬基體上等離子噴塗生物醫學功能陶瓷塗層，具有以下特點：(1) 對生物體無

毒，適於體內安全使用；(2) 對生物體和細胞有良好的適應性和親和性，不會產生副作

用；(3) 耐人體體液腐蝕；(4) 耐長期使用過程中的磨損；(5) 具有人體運動所必須的強

度、韌性等力學性能；(6) 噴塗層的多孔性和粗糙表面有利於生物體組織向人工骨骼表

面的生長和親和。因此，熱噴塗金屬基生物陶瓷塗層的人工骨骼，是比較理想的人工

骨骼材料，已在人體股骨、髖關節、肘關節、骨盆、人造牙齒等方面臨床套用試驗成

功，美國人稱為“醫學生物功能材料的一場革命。”

熱噴塗高性能陶瓷塗層技術，在國外是一項已獲得相當廣泛套用及效益突出的高

新技術，在我國還剛剛起步。誠然，沒有“點石成金”，“泥土變金”的魔方，但采

用熱噴塗陶瓷塗層技術，以很少的物耗獲得高的附加值，開拓巨大的潛在市場，無疑

可達到事半功倍的效果。

性能特點

堅固的陶瓷敏感膜片

零點、滿量程雷射標定

卓越的抗腐蝕、抗磨損性能

抗衝擊、抗震動

高精度、高穩定性

寬的工作溫度範圍

體積小巧，易封裝

最具競爭力的價格

技術參數

供電電壓：5～30VDC

橋臂電阻：11k±20%

量程範圍：100kPa～60Mpa

回響時間：<1mS

綜合誤差(包括：線性、遲滯、重複性)：0.2～0.4FS%

零點輸出：0±0.2mV/V

滿量程輸出：2.0～4.8mV/V

溫度特性(溫補範圍：0～70℃)：±0.015 %FS/℃

穩定性：<0.2%FSO/年

工作溫度：-40～135℃

抗絕緣性：>2kV

常用量程

0…100kPa

0…200kPa

0…500kPa

0…1Mpa

0…2Mpa

0…5Mpa

0…10Mpa

0…25Mpa

0…40Mpa

0…60Mpa

0…200kPa