SiCN聚合物先躯体陶瓷导电性能调控及构效关系研究

发布时间：2018-10-17 13:30

【摘要】：聚合物先躯体陶瓷为一种新型的陶瓷材料,具有非常独特的结构和性能,在高温微传感器、微机电系统(MEMS)、储能材料等方面具有重要的实际应用价值和科学研究意义。由于聚合物先驱体陶瓷的导电性是制备压力传感器和温度传感器的重要基础,因此,关于聚合物先驱体导电性能的调控及导电机理的研究具有必要性和重要性。本课题以聚氮硅烷(PSN)为原料制备聚合物先驱体陶瓷(SiCN),通过成分、温度以及热处理方式的改变来调控聚合物先驱体陶瓷导电性,并研究成分-结构-电性能关系。第一部分,研究二乙烯基苯(DVB)含量对聚合物先驱体微结构和导电性的影响,设计DVB含量(质量分数)为0、10%、20%、30%、50%。第二部分,热处理温度对SiCN先驱体陶瓷导电性、压阻特性及微结构的影响,其中选取20 wt%DVB的陶瓷样品结构-性能进行了详细的表征与分析。第三部分,利用微波的选择性加热和即时性加热的特点对SiCN先驱体陶瓷进行后处理,研究微波后处理对其导电性及微结构的影响。其中性能测试主要包括室温电导率和压力-电阻变化;成分、结构等表征包括:物相分析(XRD)、成分分析、拉曼光谱以及X光电子能谱分析等等。研究结果表明,DVB的加入能够有效地调控SiCN先驱体陶瓷的导电性,随着DVB含量的增加及热处理温度的提高导电性逐渐增大。X射线衍射表明SiCN先驱体陶瓷在热处理温度为1500oC时未出现明显结晶,表明DVB修饰的SiCN陶瓷具有良好的抗结晶性能;拉曼光谱显示出聚合物先驱体陶瓷的典型特征峰D峰和G峰,结果表明是否含有DVB对拉曼峰有明显影响,而DVB含量多少对拉曼峰影响微弱,即存在DVB有利于促进游离碳有序化,随着DVB含量的增加游离碳含量也增加增加,但DVB含量对游离碳有序度、大小影响微弱;压阻测试表明SiCN先驱体陶瓷的压阻性随着DVB含量的增加而增强;结合拉曼分析和压阻性能测试结果,可以推断DVB含量对聚合物先驱体陶瓷的导电性的影响,主要是由于游离碳含量变化(大小不变)导致游离碳间距离变化,进而导致内电场变化引起的。20%DVB-SiCN聚合物先驱体陶瓷的电导率随着后处理温度的增大而提高很多,1500oC热处理的样品导电率提高了近4个数量级,主要是由于随着热处理温度的提高,游离碳相不仅有序度增大了,而且游离碳区间的距离也变小,内电场加强所致。同样温度下,微波后处理SiCN聚合物先驱体陶瓷的电导率与传统热处理相比有明显提高,微波热处理1000oC的电导率比传统热处理提高了近40倍。进一步的Raman和XPS分析,发现微波热处理后SiCN聚合物先驱体陶瓷的电导率增大的原因主要是由于微波与先驱体陶瓷的游离碳发生强烈的相互作用引起游离碳由sp3杂化向sp2杂化转变,使电导率增加。综上所述,DVB含量、热处理温度以及微波后处理等方式都能够对SiCN聚合物先驱体陶瓷的导电性实现有效的调控。深入的结构-性能关系分析表明,掺杂DVB使先驱体陶瓷的导电性增加的原因是游离碳含量增多,游离碳彼此间的距离减小,使内电场加强所致;提高热处理温度使先驱体陶瓷的导电性增加的原因是游离碳相有序度增大和游离碳区间的距离变小的综合作用;微波热处理使先驱体陶瓷的导电性增加的原因是使游离碳由sp3杂化向sp2杂化转变,即游离碳相有序度增大。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1

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本文编号：2276811