聚合物转化SiCNO陶瓷微结构和介电性能

发布时间：2020-07-02 23:27

【摘要】：随新能源汽车高速发展,电池储能技术不断革新,亟需发展具有能量密度高、寿命长和安全性好的固态储能材料。聚合物转化陶瓷(PDCs)在低频下具有高介电常数(10~4~10~5数量级),高于钛酸钡等传统电介质材料。加之PDCs具备独特的近净成型制备工艺,可实现从有机聚合物到无机陶瓷直接转变,制备各种复杂形状的器件;在聚合物先驱体阶段可通过先驱体设计,控制微结构,实现介电性能可调,是一种极具潜力的新型电介质材料。然而,目前研究集中在报道PDCs陶瓷制备工艺与介电性能,尚未明确其微结构与介电性能的相关性规律,也未能揭示其介电极化弛豫机制。本文采用聚合物转化陶瓷法制备得到无定形SiCNO陶瓷,系统研究了该陶瓷的微结构与微结构演变规律,测试了其介电性能,并阐明了温度和频率对介电性能的影响规律,在此基础上掌握了SiCNO陶瓷的界面特性及其变化规律,建立了界面特性和介电性能的相关性规律,揭示了相应的极化弛豫机制。主要研究内容和主要结论如下:(1)研究了SiCNO陶瓷的微结构和结构演变规律,表明:(a)在1000~1350℃裂解温度范围内,可获得化学成分稳定的SiCNO陶瓷,该陶瓷由自由碳和硅基体组成,为非晶态。(b)随裂解温度升高,自由碳经历石墨化过程,sp~3C向sp~2C转变,逐渐形成纳米晶石墨,经沿石墨二维方向生长,形成碳簇,有序度增加;碳悬挂键缺陷浓度减小。(c)随温度升高,sp~2C从Si-C-N-O网络中释放,沉积在原碳簇表面;基体内部发生相分离,SiCN_3向纳米晶结构单元(SiC_4和SiN_4)转变,有序度增加。含氧键单元(SiN_2O_2和SiCO_3)与混合键单元(SiC_2N_2和SiCN_3)形成亚稳态的无定形SiC_xN_yO_(4-x-y)四面体结构;自由碳与SiC_xN_yO_(4-x-y)四面体结构构成界面域。(2)研究了SiCNO陶瓷的介电性能,表明:(a)SiCNO陶瓷介电常数在0.1Hz下为2×10~4,其频率响应曲线为“S”形,主要极化机制为界面电荷极化,主要损耗机制为直流电导损耗和界面极化损耗,时间常数分布宽泛。(b)随测试温度升高,SiCNO陶瓷介电常数增大,当高于临界温度时,介电常数急剧增加;介电损耗峰随频率增大向高温方向移动,随测试温度升高向高频方向移动,表明界面极化是一个热激活过程,且符合T~(-1/4)关系,遵循3D随机跳跃。(c)随裂解温度升高,SiCNO陶瓷介电常数增大,介电损耗峰向高频移动,弛豫时间减小。(3)研究了SiCNO陶瓷的极化弛豫机制,表明:(a)SiCNO陶瓷在交流电场作用下具有Maxwell-Wagner效应,引起界面电荷积聚效应,和较大的界面电容。根据弛豫时间范围,阻抗谱低频段的半圆弧来自界面的贡献,高频段的半圆弧来源于自由碳的贡献。(b)随裂解温度升高,自由碳经历石墨化过程,碳相电阻降低,电容不变,导致高频段由自由碳电阻控制的电子松弛极化增强;因“局部电场加强”效应,界面电阻随碳相电导率增加而降低,界面电容因界面电荷累积而增大,导致低频段由界面电阻和电容共同控制的界面电荷极化增强。(c)SiCNO陶瓷的界面电荷跃迁极化机制由“垂直”跃迁、“水平”跃迁和双势肼跃迁为主。随裂解温度升高,三种跃迁过程增强,介电常数升高。(4)研究了SiCNO陶瓷的界面特性,表明:(a)通过直流偏压叠加交流阻抗谱法,证明自由碳电阻和电容不受直流偏压影响,界面电阻和电容则随偏压增大而减小。结合双肖特基势垒模型,获得1300°C裂解的SiCNO陶瓷界面势垒高度为1.06 eV、界面掺杂浓度为2.88×10~(18) cm~(-3)、界面态密度为2.56×10~(12) cm~(-2)和耗尽层宽度442 nm。SiCNO陶瓷的主要极化机制为双肖特基势垒主导的界面电荷极化。(b)偏压抑制界面Maxwell-Wagner效应,增大界面耗尽层宽度,降低SiCNO陶瓷的介电常数。(c)随裂解温度升高,界面势垒高度增加,界面施主浓度减小,界面态密度降低,耗尽层宽度增加。电荷跨越界面势垒到达迁移率边缘并参与直流导电的概率降低,倾向于在耗尽层内做往返跳跃跃迁,利于提高介电常数。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

散相为 sp2杂化碳簇，嵌入在连续相硅基体内，纳米域的尺寸主要平面碳域尺寸；模型 B（图 1-2b）碳含量高，碳簇成为由 sp2型石状结构单元并形成连续网络结构，Si 四面体结构组成的基体成为碳簇网络结构中。

陶瓷在1400°C以下均保持无定形非晶态。进一步地，作合物转化SiOC陶瓷的优化模型（图 1-3）。此结构模单元；石墨和SiO4四面体形成含混合键SiCO四面体；同构成界面。

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本文编号：2738824