瞄准大国重器急需的一个关键问题

　　两年时间扎扎实实地

　　完成从强韧肉身到贴身软甲

　　再到坚硬铠甲的三重修炼

　　一枚应用新型复合材料的

　　精致小巧的温度传感器

　　终于实现在表面温度超2000K

　　（约为1700多摄氏度）的情况下

　　短时极限测温超过30秒的测温挑战

　　不久前，极温智测—极高温超灵敏

　　神经末梢式温度传感材料团队

　　斩获第十九届“挑战杯”全国大学生

　　课外学术科技作品竞赛主体赛特等奖

　　新材料如何“诞生”？

　　从材料到元器件要再“跨越”多远？

　　今天，让我们一起走近

　　这群跨学科组队的哈工大青年

　　以赛促学、不断突破的故事

　　飞机划破长空，航空发动机的涡轮叶片需要在高温炙烤中稳定工作数千小时；燃气轮机驱动发电机组为城市供电，几十度的温度波动都有可能引发停机故障……在航空航天、先进动力等关键领域，极端高温环境下的装备运行，早已离不开对温度、压力等核心物理量的“实时精准感知”。“我们能不能研制一种‘天生’就能适应极端环境的新型温度传感材料？”故事始于两年前，哈工大航天学院复合材料与结构研究所（以下简称“复材所”）孟松鹤教授向当时还是本科生的郭政佑抛出了这个问题。

　　极端环境下的热防护、热感知、热测量以及轻质防隔热一体化一直是复材所的主攻方向。即将来到这里直接攻读博士学位的2024级直博生郭政佑当时只有一个模糊的概念，就是找到一个既耐受高温环境又具备传感功能，还要与被测物性质相近且不产生干扰的材料。“同时融合这三个特性，并完成从材料制备到性能强化再到器件封装的科研全流程是最大的难点。”项目指导教师、航天学院李金平教授建议郭政佑从阅读文献入手，先为传感器选定材料——打造一副“强韧肉身”。

团队成员调试设备

　　在几个月的海量文献阅读中，郭政佑锁定了一类极具潜力的材料——先驱体转化陶瓷。这种材料具有优异的高温半导体特性，仿佛是为解决这一问题量身定制的“天选之材”。然而，在他亲手热解制备出的样品上，材料的致密度却始终无法突破70%，强度与性能完全达不到最基本的使用要求。

　　“那时候，我们几乎试遍了所有能想到的方法。”面对瓶颈，郭政佑选择了最“笨”的方法——不断试错。这时，同样对复合材料感兴趣的未来技术学院善义班2022级本科生师湫航加入了团队。大一就进入实验室的师湫航已经掌握了不少实验技巧，两名充满热情的年轻人分工协作，实验效率得到了显著的提升。

团队成员调试搭建小型热流实验平台

　　选定了基本材料后，如何为其“接上牢靠的感知神经”——解决电极在极端环境下的连接与耐久问题，成了他们下一步要攻克的问题。项目指导教师、航天学院副研究员高博建议大家，要一体考虑电极材料和连接方案，这样在未来实际的工程应用中才是有价值的。因此，郭政佑和团队成员、航天学院2024级直博生王玉杰不仅综合考虑了多种电极材料，同时针对电极丝的直径开展了大量优化，在0.05毫米的毫厘之间反复实验才确定了电极直径的最优解，使得传感器在高温下的测温稳定性提高了30%以上。

　　材料初步完成后，郭政佑报名参加学校举办的首届师生创业大赛“试水”。“当时我们只完成了材料制备，离真实的应用还有很远，因此成绩也并不理想。参赛中专家提出了关键建议，也激励我们继续做下去，努力做出一个真正的传感器器件，这就需要再下功夫完成涂层强化和器件封装。”团队中经济与管理学院2022级本科生于末沉下心来“啃下”技术资料，进一步调研相关高温传感器的市场现状了解到，测温材料的研发比较多见，但唯有再迈进一步，实现从“材料”向“器件”的跨越，才能够真正在我国相关行业的装备中发挥实际作用。

团队成员参加师生创业大赛

　　如何对测温材料开展进一步的强化？团队成员想到了一个很好的比喻：“如果在强韧肉身的基础上再为测温材料穿上一层贴身软甲，并再套上一层坚硬铠甲，那岂不是能完美地解决这一困境么？”既然是软甲，在尽可能提升材料的抗氧化性的同时，肯定还不能制约本体的行动——需要尽可能少地干扰检测数据。经过了几天的分析研讨，郭政佑和团队成员们决定采用与测温材料“同宗同源”的材料制备抗氧化陶瓷涂层。

　　“这个思路可行。既然大家有了目标，就可以从目标出发倒推来设计涂层。”团队第一指导教师、航天学院副教授杨强建议道。数学学院2023级本科生赵泾云在实验室师兄、2024级硕士生郭俊涛的指导下，发挥自己的数学优势，建立了一套有限元模型来模拟热流冲击下传感器的效果，为团队确定了涂层预期厚度等关键参数，帮助大家的实验找到了方向。在进一步选定涂层成分后，团队开展了一系列实验以验证仿真结果，并最终提出了一种多功能填料混合增强的抗氧化涂层强化方案，使得传感器在1200℃高温有氧环境下的稳定测温时长提高了3倍以上。“对于这一大面积、高致密度涂层的制备工艺，我们还授权了发明专利。”郭政佑说。

团队成员调试涂层喷涂工艺

　　这时，杨强提出了一个问题，又一次引起了大家的思考：“既然这身‘贴身软甲’有效提升了材料的测温性能，我们能不能试试在器件封装上‘减点料’？”温度传感材料往往采用全封装结构，虽然能起到很好的保护作用，但相对而言也带来了传感速度变慢，内部测温元件不便于更换等问题。团队成员、2022级本科生满昊然是飞行器动力工程专业的学生，这正是温度传感器的应用行业之一，他请教了相关专业老师，并调研了航空发动机在实际工作场景中对于温度传感器的需求，提出了采用半封装结构的新想法。

　　几经实验，效果显著，半封装结构是可行的！团队开展了极端热流环境下器件级的温度传感性能考核，直面热流冲击的测温器件实现了表面温度超2000K的情况下，短时极限测温超过30秒！

实验现场

　　在完成了最后一步“坚硬铠甲”的设计和验证后，项目也终于实现了从材料到器件的跨越，并凭借卓越的综合性能从校“祖光杯”小组第一名一路闯入“挑战杯”国赛赛场。“我们将器件本身打磨完美，学校的支持就会推着项目更进一步。”郭政佑说，复材所主办的相关学术会议为他补充了前沿知识，跨学科组队发挥优势多方调研，一次次专家点评指导……“极温智测”在国赛赛场上顺利拿下特等奖。

　　在众多获奖的热门领域项目中，聚焦极端环境这个冷门却又“刚需”问题的“极温智测”显得格外沉静笃定。“我们的传统就是‘提出真问题、研究真问题、解决真问题’。不盲目追逐热点，而是以国家重大工程需求为标尺，审视问题本身的价值。”杨强说。杨强本硕博均毕业于哈工大，也是在一次次科研攻坚中，师生间传承着课题组聚焦“真问题”、甘坐“冷板凳”的精神。

团队成员进入决赛

　　“我们课题组长期聚焦极端环境传感技术领域，相关成果曾支撑了我国首次火星探测任务天问一号任务圆满完成，这种瞄准国之重器和国家需求永不放弃的精神为我们团队铸就起了‘强韧肉身’；大师引领的善义班、中俄联合办学的国际视野以及学校和学院的政策一路有力支持我们的创新创业，为我们的科创之路打造了贴身软甲和坚硬铠甲。”郭政佑说，两年备赛，完成三重修炼的不仅仅是器件。

　　不久前，郭政佑凭着这一项目成功入选哈工大首批“创业驱动的创新人才托举工程”培育计划，并积极对接苏州研究院、苏州工业园区等，希望能够带领团队进一步推进这一器件的产业化，“希望未来有机会让实验室的创新成果在国家重大装备中真正发挥实效。”

国赛现场合影

　　让中国在下一代

　　极端环境传感材料领域走在世界前沿

　　哈工大青年正不断探索

　　为科技强国贡献青春力量

　　文字丨阚思邈

　　视频丨谭立军

　　图片丨受访者提供

　　排版丨阚思邈