航空航天、核能和先进制造业的快速发展，对耐高温、抗氧化、抗辐照、抗电磁干扰的温度传感器提出了迫切的需求。现有的高温传感器在高温、高压、离子沉积、电磁辐射等极端环境下，难以实现长时间、高精度的原位测温。商用热电偶已经在工业上得到了广泛的应用，但仍然存在许多局限性，包括无法测量移动物体，易受氧化和腐蚀，以及高温下的信号漂移等；非接触式光学温度计不能测量目标的内部温度，并且几乎所有的非接触式光学温度计都受到背景辐射的影响，特别是在高温下，从而降低了信噪比，限制了进一步的应用。

超声波技术发展了几十年，被证明是极端环境中原位超高温测量的有效方法。超声波温度传感器（UTS）通过表征在某种材料中随温度变化的超声波速度来测量温度，使工作温度接近波导的熔点，有效避免了背景辐射和电磁干扰的影响，从而抑制了信号漂移。此外，UTS还可以通过将多个声学不连续性引入到声学波导中来实现沿着轴向的分布式温度测量。近年来，氧化物单晶光纤（SCF）因其高熔点（超过2000 ℃）、上级抗氧化性和稳定的物理化学性能而成为UTS波导的一种有希望的候选材料。具有三角形结构的蓝宝石晶体被认为具有更大的声学各向异性，这有助于声学性能调制，伴随着高熔点（~2050 ℃）和上级环境适应性，展示了实现高温和高性能超声温度传感的良好前景。

这篇文章通过晶体生长的方法，制造出了a轴取向、m轴取向、c轴取向三种取向的蓝宝石晶体光纤，并用其作为超声波波导制作了UTS。研究人员先是测试了三种取向的纯蓝宝石单晶光纤的各项物理参数，包括杨氏模量、剪切模量、各个方向的声速，以及P波、S波条件下蓝宝石超声波温度传感器（SCF-UTS）的各向异性传感器性能，包括延迟时间、声速、单位灵敏度、灵敏度和分辨率，证明a轴取向的单晶光纤在超声波温度传感中的性能更优异。接着对三种取向蓝宝石光纤进行Cr参杂，再次测试Cr：Al2O3掺杂光纤的上述性质进行测试。结果表明，其制备的Cr：Al2O3 光纤与纯蓝宝石光纤属于相同的R3c空间群，且Cr：Al2O3光纤的晶胞参数大于纯蓝宝石光纤的晶胞参数，并且随着Cr离子浓度的增加而增加，Cr：Al2O3单晶在特定取向上的弹性模量明显低于纯蓝宝石晶体，且密度较高，从而导致声速较低，具有更优异的性能。最后对a轴取向的Cr：Al2O3 SCF-UTS进行稳定性测试，测试结果表明其具有长时间的稳定性和高温下优良的分辨率。该工作为基于声各向异性和晶格掺杂工程实现高精度超声温度传感提供了一种可行的策略，展示了a取向的Cr：Al2O3 SCF-UTS在恶劣环境下超高温温度传感中的良好应用前景。

图 1  激光加热基座生长(LHPG)示意图

图 3 (a)蓝宝石晶体的六方晶胞和相应的(1120)(a面)、(1010)(m面)和(0001)(c面)晶面。(b)沿沿着a轴、m轴和c轴生长的蓝宝石光纤。(c)SCF的X射线劳厄背反射测量示意图。（d-f）沿蓝宝石光纤的纵向沿着不同位置处的特征劳厄背反射图案。

图4  蓝宝石晶体的弹性模量的3D分布图。(a)杨氏模量，(b)最大剪切模量，(c)最小剪切模量，(d)(11-20)，(e)(10-10)，和(f)(0001)平面上的剪切模量分布。

图 6  p波条件下蓝宝石SCF-UTS的各向异性传感器性能。(a)延迟时间.(b)声速.(c)单位灵敏度.(d)灵敏度和分辨率。

图 7  S波条件下蓝宝石SCF-UTS的各向异性传感器性能。(a)延迟时间(b)声速(c)单位灵敏度。(d)灵敏度和分辨率。(e)蓝宝石光纤弹性常数随温度变化的实验研究。

图8 (a)a取向Cr：Al2O3晶体纤维。(B)在300-500 K范围内，纯蓝宝石光纤和Cr：Al2O3 SCF的晶胞参数随温度的变化。

图9.  Cr：Al2O3单晶弹性模量的3D分布图。(a)杨氏模量，(b)最大剪切模量，(c)最小剪切模量，(d)(11-20)，(e)(10-10)，和(f)(0001)平面上的剪切模量分布。

图 10 a-取向Cr：Al 2 O3 SCF-UTS在S波条件下的性能。(a)延迟时间(b)声速(c)单位灵敏度。(d)灵敏度和分辨率。(e)横波速度为1.0 at.%的循环试验Cr：Al2O3。(f)1200 ℃时Al2O3超临界流体超声换能器的单位灵敏度和声速。

文献来源：Tao Wang , Lin Liu , Yufei Wu , Kaihui Zhang , Haijian Liang , Gao Wang , Na Lin,et al.2024."Directional and lattice engineering growth of sapphire fibers for ultrasonic ultra-high-temperature sensors".Ceramics International,50(2):4136-4145.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884223036568?via%3Dihub