面向高温传感的非晶SiCN陶瓷材料设计及其力电特性研究

发布时间：2020-12-29 01:14

　　燃气涡轮发动机等极端环境下的多物理量感知和数据采集对于现有测试技术来说一直是一大挑战。内部的传感器除了要能够承受高温、高压以及高腐蚀等极端条件以外,还需要始终保持其稳定的功能性。而随着空天技术的不断发展,对传感器的精度,稳定性,尺寸以及易安装性等也提出了更高的要求。微电子机械系统（MEMS,Micro-Electro-Mechanical System）的发展为在极端环境系统中嵌入高可靠性、高集成度的微型传感器提供了可能,但是MEMS传感器在极端环境下的应用强烈依赖于新材料的发展。目前最常用的基于半导体Si以及Si C的MEMS传感器最高使用温度一般不超过500℃。聚合物先驱体转化陶瓷（Polymer Derived Ceramics,PDCs）是一类通过聚合物前驱体的高温热解转化而来的高温陶瓷材料,具有优异的高温稳定性,耐氧化/腐蚀特性,高蠕变阻力以及多功能性（包括优异的半导体特性和压阻特性）。此外通过聚合物先驱体进行陶瓷转化的工艺可以很容易实现先驱体陶瓷的微成型。因此,先驱体陶瓷可以作为制造适用于燃气涡轮发动机等极端环境的MEMS温度/压力传感器的候选材料。目前基于先驱体陶瓷的温度... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：172 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

不同体系硅基先驱体陶瓷对应的聚合物先驱体类型[14]

(4)进一步地高温热处理(>1400℃)会导致非晶硅基陶瓷发生结晶化,从而形成纳米晶陶瓷。通过先驱体转化法制备致密陶瓷存在着较大的难点。在上述第三步通过惰性气氛下的高温热解实现有机聚合物向无机硅基陶瓷转化的过程中,小分子的逸出极易导致陶瓷内部产生孔隙和裂纹,并伴有较大的体积收缩。这些问题极大的限制了先驱体陶瓷的完整性,致密度以及陶瓷产率。因此在1990s之前,先驱体陶瓷技术主要用于制备纤维,涂层以及陶瓷粉末等。本节将简要介绍目前普遍应用的先驱体转化致密陶瓷的制备方法。

Riedel等人于1992年首先利用压力辅助的粉末成型方法制备出了致密的先驱体转化SiCN陶瓷[48]。压力辅助粉末成型方法的一般步骤包括聚合物先驱体的固化交联制备难熔固态先驱体;通过球磨处理获得精细的固态先驱体粉末;对先驱体粉末进行压力成型制备致密先驱体胚体;高温热解获得致密先驱体陶瓷。该成型方法的关键步骤在于固化交联过程以及压力成型过程[49]。在固化交联过程中,优化的交联温度能够使得交联后的固态先驱体粉末具有高的交联程度以及良好的塑形成型能力,从而提高后续的压力成型能力和陶瓷产率。而在压力成型过程中,两种致密化方法能够被选择:冷压成型和温压成型[50]。通过普通的单轴冷压或者冷等静压,致密化后的固态先驱体胚体最高能够达到84%的致密度,对应高温热解后得到先驱体陶瓷的密度能够达到93%。从图1-4可以看出,温压成型能够进一步提高固态先驱体的致密度。其原因在于温度的引入能够使得先驱体粉末发生显著的的塑性变形,从而消除了颗粒之间的孔隙;其次在保温过程中,先驱体的交联能力被进一步提高,先驱体颗粒之间能够通过进一步交联而形成连续的三维聚合物网络。通过温压成型致密化后的先驱体胚体能够达到92.5%的致密度,而经过1000℃热解后的先驱体陶瓷具有97%的相对密度。针对聚合物先驱体粉末成型的方法,后续又发展了将交联后的固态先驱体与原始的液态先驱体混合冷压的制备路线,这在本质上与以上两种方法是相同的。1.2.2.2液态成型

【参考文献】：
期刊论文
[1]孔隙率对炭材料电阻率的影响(英文)[J]. 孙天鸣,董利民,王晨,郭文利,王莉,梁彤祥.  新型炭材料. 2013(05)

博士论文
[1]若干半导体非晶化相变的结构及化学键演化规律的第一性原理研究[D]. 孙瑜.吉林大学 2016



本文编号：2944716