Rapid laser fabrication of indium tin oxide and polymer-derived ceramic composite thin films for high-temperature sensors

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作者
Lida Xu,Xiong Zhou,Fuxin Zhao,Yanzhang Fu,Lantian Tang,Yingjun Zeng,Guochun Chen,Chao Wu,Lingyun Wang,Qinnan Chen,Kai Yang,Daoheng Sun,Zhenyin Hai
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:658: 913-922 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.12.119
摘要

Thin-film sensors are essential for real-time monitoring of components in high-temperature environments. Traditional fabrication methods often involve complicated fabrication steps or require prolonged high-temperature annealing, limiting their practical applicability. Here, we present an approach using direct ink writing and laser scanning (DIW-LS) to fabricate high-temperature functional thin films. An indium tin oxide (ITO)/preceramic polymer (PP) ink suitable for DIW was developed. Under LS, the ITO/PP thin film shrank in volume. Meanwhile, the rapid pyrolysis of PP into amorphous precursor-derived ceramic (PDC) facilitated the faster sintering of ITO nanoparticles and improved the densification of the thin film. This process realized the formation of a conductive network of interconnected ITO nanoparticles. The results show that the ITO/PDC thin film exhibits excellent stability, with a drift rate of 4.7 % at 1000 °C for 25 h, and withstands temperatures up to 1250 °C in the ambient atmosphere. It is also sensitive to strain, with a maximum gauge factor of −6.0. As a proof of concept, we have used DIW-LS technology to fabricate a thin-film heat flux sensor on the surface of the turbine blade, capable of measuring heat flux densities over 1 MW/m2. This DIW-LS process provides a viable approach for the integrated, rapid, and flexible fabrication of thin film sensors for harsh environments.
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