聚硅氮烷转化SiCN陶瓷结构性能及传感器应用

发布时间：2020-09-09 10:58

　　发动机、核反应堆等高温恶劣环境中的温度和压力监测具有非常重要的意义,但目前的高温温度/压力传感器由于传感材料的限制,尚不能满足这些环境的测试要求。聚合物转化陶瓷技术(Polymer derived ceramic technique)制备的SiCN陶瓷具有良好的高温稳定性、抗氧化腐蚀、抗高温蠕变等高温性能以及独特的高温半导体效应、高温压阻效应等电学特性,加上聚合物转化陶瓷技术的灵活成型工艺,SiCN陶瓷被认为是一种非常有潜力的高温温度/压力传感器材料。但目前,SiCN陶瓷在传感器领域的应用尚不成熟。SiCN陶瓷的结构和性能与陶瓷前驱体成分和结构、陶瓷制备过程(温度、时间、气氛等)密切相关,这为陶瓷性能调节和控制提供了可能性。但不同前驱体、不同工艺制备的陶瓷性能有很大不同,特定前驱体在使用前需进行详细研究。本文以聚合物转化SiCN陶瓷在温度/压力传感器上的应用为背景,选取中国科学院化学研究所提供的商业化聚硅氮烷为前驱体,详细研究了SiCN陶瓷的显微结构和电学性能随热处理温度的演变规律,建立了陶瓷电学性能和显微结构的关系,分析了影响陶瓷电学特性的关键因素,为陶瓷电学性能调节提供了理论基础。在此基础上研究了PIP工艺制备的致密SiCN陶瓷的压阻特性,探索其在压力传感器的应用前景;同时设计了双层陶瓷结构温度传感器,并通过改性聚硅氮烷前驱体制备了双层陶瓷温度传感器原型,推动了聚合物转化陶瓷技术在薄层温度传感器领域的实际应用。主要研究内容和结果如下:(1)研究了非晶SiCN陶瓷的显微结构及其在1000-1400~oC范围内随热处理温度的演变规律。结果表明SiCN陶瓷包含硅基体相和游离碳相两部分基本结构。硅基体相的基本结构是SiC_xN_(4-x)(x=0,1,2,3,4)四面体结构。随热处理温度升高,Si-C/Si-N键的比例不变,但Si-C/N混合四面体结构逐渐向SiC_4和SiN_4结构转变。游离碳相的基本结构是含缺陷(未成对电子)的无定型碳聚集形成的碳簇(Carbon clusters)结构。随热处理温度升高,游离碳由sp~3杂化向sp~2杂化转变,转变激活能为3.14 eV,同时缺陷浓度减少、有序度增加,碳簇尺寸逐渐增大,由无定型碳向纳米石墨晶转变。(2)研究了非晶SiCN陶瓷的基本导电行为、能带结构及其在1000-1400~oC范围内随热处理温度的演变规律,建立了电学性能与显微结构的关系。结果表明热处理温度由1000~oC增加到1400~oC时,陶瓷电导率增加了3个数量级,陶瓷电导率增加的激活能与游离碳由sp~3杂化向sp~2杂化转变的激活能接近,说明陶瓷电导率与游离碳的状态直接相关。所有SiCN陶瓷电导率随测试温度升高逐渐增大,是一种n型半导体。在低温段陶瓷电导率对数与测试温度T~(-1/4)呈正比,满足带尾态跃迁机制。SiCN陶瓷禁带宽度、带尾态能级随热处理温度升高逐渐减小。SiCN陶瓷交流电导率在低频时基本不随频率变化,在高于某一特征频率时随频率呈指数关系增加,存在电导驰豫现象。驰豫时间随热处理温度升高逐渐减小,这一过程的激活能同样与游离碳由sp~3杂化向sp~2杂化转变的激活能接近。(3)研究了直接裂解法制备致密SiCN陶瓷及其力学性能。结果表明直接裂解法可以制备出完全致密的SiCN陶瓷,陶瓷的杨氏模量为~126 GPa,抗弯强度为~250 MPa,维氏硬度为~15 GPa,力学性能良好,能够满足压力传感器对陶瓷力学性能的要求;但该方法制备的陶瓷尺寸受限,且热处理温度超过1100~oC后陶瓷发生破碎,不适于实际工程应用。(4)通过前驱体浸渍裂解法(Precursor infiltration and pyrolysis,PIP)结合粉末烧结法制备了致密SiCN块体陶瓷,研究了PIP工艺对陶瓷游离碳结构、电导率和压阻特性的影响,探索其在压力传感器上的应用前景。结果表明PIP工艺制备的SiCN陶瓷电导率较原始粉末烧结法制备的SiCN陶瓷高出4个数量级,这与PIP工艺制备的SiCN陶瓷的游离碳石墨化程度有很大提高有关,这也验证了陶瓷电导率与游离碳状态直接相关的结论。随热处理温度升高,致密SiCN陶瓷电导率增大的活化能较粉末烧结法制备陶瓷电导率增大的活化能小,这与致密陶瓷中游离碳在1200~oC左右完成sp~3杂化向sp~2杂化转变过程有关。SiCN陶瓷的压阻系数约为45,且不受PIP工艺的影响。但由于本文中SiCN陶瓷未发生隧穿电导效应,陶瓷的压阻系数小于文献报道的其他聚合物转化陶瓷体系的压阻系数。(5)针对聚合物裂解过程中剧烈体积变化带来的SiCN陶瓷薄膜制备难题,提出双层聚合物转化陶瓷温度传感器结构设计(高阻陶瓷层作为基板,低阻陶瓷层作为热敏元件),并通过DVB改性调节陶瓷电导率,制备了传感器原型。结果表明20%质量分数的DVB可以显著增加陶瓷中游离碳的含量,降低陶瓷电阻4个数量级,并且仍然保持半导体特性。改性的前驱体保持与原始前驱体相近的烧结收缩率,且收缩过程发生在相同温度阶段。基于此,通过光固化工艺,以改性SiCN陶瓷为敏感元件、原始SiCN陶瓷为基板,成功制备了双层陶瓷温度传感器,敏感元件层厚度约100?m,厚度可以进一步降低。传感器电阻温度响应满足典型热敏陶瓷的Steinhart-Hart关系,通过分压电路测试了温度-输出电压曲线。这一传感器具有很好的稳定性和可重复性,这一结构设计更接近实际应用,是聚合物转化陶瓷传感器应用的重大突破。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1;TP212
【部分图文】：

陶瓷体,Si基,前驱体,聚合物

图 1-1 常见的 Si 基陶瓷体系以及对应的前驱体[20]g. 1-1 Well-known Si-based ceramic systems and their corresponding precursor陶瓷体系中，聚合物转化 SiCN 陶瓷表现出良好的高温稳定性、抗特性，并具有良好的高温半导体特性[21]、优异的压阻效应[36]等，技术也是制备 SiC/Si3N4复合材料的重要手段[40]，得到了广泛的研陶瓷制备的基本过程[41]（图 1-2）包括：有机 Si/C/N 聚合物的合、聚合物的高温裂解等。裂解过程一般在 900-1100oC 之间完成，晶态陶瓷，在更高的温度下热处理可以制备晶态 SiC/Si3N4复相

流程图,聚合物,流程图,高温半导体

1-1 常见的 Si 基陶瓷体系以及对应的前驱体[20]n Si-based ceramic systems and their corresponding precu聚合物转化 SiCN 陶瓷表现出良好的高温稳定性良好的高温半导体特性[21]、优异的压阻效应[36] SiC/Si3N4复合材料的重要手段[40]，得到了广泛本过程[41]（图 1-2）包括：有机 Si/C/N 聚合物的温裂解等。裂解过程一般在 900-1100oC 之间完成更高的温度下热处理可以制备晶态 SiC/Si3N4复

硅氮烷,乙烯基,裂解过程,前驱体

西北工业大学博士学位论文乙烯基的聚(乙烯基)硅氮烷（Poly(vinylsilazane)），研究表明在裂解过程发生的反应(氢甲基)硅氮烷不同，裂解反应模型如图 1-4b 所示[68]。前驱体中的乙烯基发生聚合，形成碳碳链段，在裂解产物中形成碳簇聚集。除前驱体结构的影响，裂解产率与裂解过程中的升温速率、气氛等裂解条件也有关系。Bahloul 等人[59]发现聚(乙烯基)硅氮烷裂解后的陶瓷产率随升温速率变大而，这与快速升温过程中前驱体的交联程度较低有关。氨气气氛对裂解陶瓷产物中的量有很大的影响，氨气可以增加甲烷的逸出（式 1-8），降低碳含量[70]。Gao 等人[71]究还表明裂解过程中前驱体的状态（粉末/块体）对裂解后陶瓷的显微结构同样有显响。3 3 2 4 Si CH NH Si NH CH(1

【参考文献】