温度响应和压力响应材料的光物理研究

摘要

在空气动力学测量领域，光学温度和压力传感器是一种以非接触方式测量气动模型表面温度和表面压力分布的新技术，可实时获得不同流速下的模型表面连续和全域的温度或压力分布与变化，其技术的基本工作原理是根据发光探针所发出荧光或磷光的氧猝灭或热猝灭作用。　　光学温度敏感涂料(Temperature Sensitive Paints ，TSP)和光学压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paints，PSP)主要由高分子基质和发光探针组成，其性能由高分子、发光探针性能及其分散状态和相互作用决定。PSP所使用高分子基质的氧透过系数直接影响探针分子的氧敏感性，而TSP中高分子与探针分子相互作用导致热猝灭中的非辐射活化能不同，进而导致不同的温度灵敏度。本文主要探索不同高分子材料对光学温度或压力敏感涂料性能如热猝灭和氧猝灭灵敏度﹑发光强度和时间响应等的影响。　　本文以镧系元素铕的配合物EuTTA和Eu-2两种发光探针，分别与聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和改性环氧树脂(EP)制备成三种TSP薄膜样品，研究不同高分子基质对TSP灵敏度等性能的影响。在标准大气压和30℃、40℃、50℃和60℃条件下，以400 nm光激发，测定其对荧光强度Ⅰ的猝灭作用，从Ⅰ/Ⅰ0(I0为30℃下的荧光强度)对温度T的关系可知：它们的热猝灭灵敏度随高分子和发光探针的不同组合而改变，该结果表面探针分子与高分子的相互作用影响温度灵敏度ST。在PSP的研究中，将芘丁酸(PYB)和N,N,N’,N’-四甲苯基联苯胺(TBD)两种不同电子态的发光探针分别与聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、含氟聚硅氧烷以及高电负性的含氟共聚物复合，发现它们的荧光氧猝灭有明显差别：PYB在四种高分子的复合膜中，氧猝灭灵敏度(KSV)和这四种高分子的氧透过系数变化呈相同规律，表明荧光的氧猝灭过程是由高分子的氧透过系数P起决定作用，符合扩散控制机理；而TBD在四种高分子中的荧光发射光谱位移顺序和氧猝灭灵敏度(KSV)大小顺序与聚合物的极性大小基本一致，说明这一组PSP的氧猝灭行为是由探针和高分子环境相互作用起主导作用。　　用本论文获得一些规律性认识，制备了几种可实际应用的TSP和PSP涂料，在高速风洞中应用于不同模型的表面空气动力测量，得到模型表面连续分布光学图像，所得结果与常规测试技术均能较好的符合，达到或接近工程应用水平，为今后研发高性能工程化TSP和PSP 提供了基础。

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