新型高温钙钛矿单晶光纤创制及超声波导温度传感器

1成果简介

在航空航天、石油化工、核能利用等前沿工业领域，极端服役环境——如高温、高压、强氧化、强腐蚀与强电磁干扰等，为温度传感技术的发展带来严峻挑战。传统传感器难以在此类恶劣条件下实现稳定、精确的温度测量，因此，发展能够在极端环境长期原位实时工作的温度监测技术，不仅是实现装备智能运维与健康管理的关键支撑，更是推动新一代能源与动力系统向高效、可靠、智能化升级的核心技术突破口。近年来，基于氧化物单晶光纤的超声波导高温传感技术被认为是实现恶劣环境中长期、可靠温度监测的最具潜力的解决方案之一，该技术有效弥补了传统贵金属热电偶（如钨、铼等）易氧化、寿命短、成本高，以及红外测温技术易受辐射干扰、难以实现内部温度精准探测等固有短板，成为推动高温传感技术向高端化、智能化跃升的代表性新质生产力。

山东大学晶体材料全国重点实验室陶绪堂、贾志泰教授团队在特种单晶光纤材料及应用技术领域持续深耕，突破了单晶光纤极限尺寸制造与连续制造关键技术，开发了多体系、多尺度功能单晶光纤材料。本文中，课题组成功制备出高质量GdxSc2-xO3钙钛矿单晶光纤并研发超声波导温度传感器，工作温度突破2000℃，为极端环境监测提供可靠解决方案，相关研究成果以“ Unraveling acoustic anisotropy and lattice engineering strategy in GdxSc2-xO3perovskite single-crystal fibers: Paving the way for high-sensitivity and robust ultrasonic thermometry beyond 2000 ℃ ”为题(DOI: 10.1016/j.cej.2025.166599)，发表于国际期刊Chemical Engineering Journal上，山东大学晶体材料全国重点实验室博士研究生管鑫为论文第一作者，王涛副研究员与张健教授为论文共同通讯作者，山东大学为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金的支持。

2图文导读

本论文中，作者利用激光加热基座技术（LHPG）成功制备出高熔点（>2150 ℃）、大长径比的钙钛矿结构GdxSc2-xO3系列单晶光纤，并将其作为超声波导材料，成功研制出测温极限>2000℃的高温传感器。

图1.单晶光纤超声温度传感原理图

图2.不同取向的GdxSc2-xO3单晶光纤

超声波导温度传感器的性能主要取决于光纤介质中的声速大小及其随温度的变化率。其中，介质材料的密度和弹性参数是影响光纤声学特性的关键因素。GdScO3具有较高的熔点（~2150 ℃），较大的密度（6.66g/cm3），较宽的正交稳定相区，以及由于较低对称性引起的显著的声学各向异性，这使得基于该材料的温度传感器具有较大的性能调控区间。

突破一：氧缺陷调控实现稳定声学性能

团队采用自主研发的激光加热基座生长（LHPG）装置，分别在氧气（O2）和氩气（Ar）气氛中成功制备出直径约500 μm、长度超过300 mm的GdScO3单晶光纤（SCF）。结合第一性原理计算发现，氩气环境中生长的光纤氧空位形成能较低，易于形成空位缺陷，而此类缺陷会显著改变材料的弹性常数。在实际测温应用中，缺陷浓度还会发生显著变化，导致传感器性能不稳定，限制其实际应用。相比之下，富氧环境可将氧空位形成能提高至6.38 eV，大幅抑制缺陷的产生。经1500℃下数十小时的高温循环测试验证，氧气环境中制备的传感器表现出优异的稳定性，具备可靠的高温传感能力。

图3. a)在氧气和氩气中生长的GdScO3SCF； b)GdScO3的理论紫外-可见-近红外吸收光谱； c)生长的GdScO3的P波速度； O1s XPS光谱d)GdScO3-SCFAr的波导区，e)GdScO3-SCFAr的灵敏区，f)GdScO3-SCFO的波导区，g)GdScO3-SCFO的灵敏区； h)GdScO3中氧缺陷的示意图

突破二：晶格工程实现超高灵敏度

Sc2O3-Gd2O3二元相图揭示正交相GdScO3具有较宽的相区，允许在一定范围内进行成分调节，成分的变化导致弹性性质和密度发生变化，并伴随着一定程度的晶格畸变，显著影响超声温度传感器的性能。Gd3+/Sc3+比例对声学性能具有非线性调控作用，通过理论计算和拉曼光谱分析成功解耦了晶格畸变和晶体密度对弹性性能的竞争协同效应。结果表明，当Gd3+含量为1.05时（Gd1.05Sc0.95O3），材料表现出最低的声速和最高的单位灵敏度。

图4.a)生长得到的GdxSc2-xO3 SCF； b)GdxSc2-xO3SCF的XRD图谱； [110]取向的GdxSc2-xO3 SCF的超声温度传感性能：c)P波速， d)P波条件下的单位灵敏度，e)S波速，f)S波条件下的单位灵敏度；g)生长得到的GdxSc2-xO3 SCF的拉曼光谱对比分析； h)计算弹性模量随Gd3+浓度的变化。

突破三：声学各向异性优化

团队首次揭示了GdxSc2-xO3晶体的强声学各向异性特性：[010]取向的Gd1.05Sc0.95O3SCF在S波[100]偏振方向表现出最优异的测温性能。值得注意的是，GdFeO3结构在高温下的四方化过程将导致速度变化增强，进一步提高了其测温性能。

图5. GdScO3单晶的弹性模量3D分布：a) 杨氏模量，b) 最大剪切模量，c) 最小剪切模量；剪切模量在面内的分布：d) (100)面，e) (010)面，f) (001)面和g) (110)面

图6. S波条件下Gd1.05Sc0.95O3SCF的各向异性温度传感性能：a) 延迟时间，b) 超声波速度，c) 单位灵敏度，d) 灵敏度和分辨率；e) Gd1.05Sc0.95O3 SCF的温度依赖的晶胞参数；f) Gd1.05Sc0.95O3 SCF的部分温度依赖的弹性模量

最终高温实验证实GdxSc2-xO3可以实现2000℃以上可靠的高温探测，在2030℃获得了98.89 ns⋅℃-1⋅m-1和2.02 ℃的单位灵敏度和分辨率，为极端环境高温探测提供了材料与技术支撑。

图7. [010]-Gd1.05Sc0.95O3超过2000℃的超高温传感： a) 延迟时间，b) 超声波速度，c) 单位灵敏度，d) 灵敏度和分辨率；e) 刚达到2030℃和在2030℃下暴露1小时后的反射信号；f) 超声波温度传感器性能的比较.

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166599

来源：材料分析与应用