【摘要】：高溫、強氧化/腐蝕等極端環(huán)境(如渦輪發(fā)動機燃燒室、核反應堆等)的溫度測量與實時監(jiān)控,具有極其重要的意義,同時也具有極大的挑戰(zhàn)性。聚合物先驅(qū)體陶瓷(Polymer-derived Ceramic,PDC)以其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、高溫半導體特性(遠高于SiC)、良好的抗氧化/腐蝕性以及易近成型等特性,成為制備高溫極端環(huán)境溫度傳感器的理想候選材料。但是,關于PDC電性能的研究還不是很成熟,尤其是SiAlCN陶瓷的導電性能及導電機理的研究非常有限,而電性能研究恰恰是設計PDC傳感器的基礎,因此,具有極其重要的科學意義。本文以聚硅氮烷(PSN)陶瓷前驅(qū)體、仲丁醇鋁(ASB)為Al源以及過氧化二異丙苯(DP)為固化劑,利用低溫熱解聚合物直接轉(zhuǎn)化為陶瓷的方法,獲得SiAlCN聚合物先驅(qū)體陶瓷。通過元素分析、XRD、Raman、XPS等對材料的物相組成、結構變化進行分析表征;利用直流電導、交流電導、交流阻抗等對其電學性能進行研究,探究結構與電性能關系,闡明導電機理。并在此基礎上,設計和制備了SiAlCN聚合物先驅(qū)體陶瓷溫度傳感器,測試了其傳感性能表現(xiàn)。此外,也對SiAlCN陶瓷的介電性能做了一定的探索,為后續(xù)開發(fā)無線傳感器提供一定的基礎依據(jù)。研究結果表明:首先,SiAlCN聚合物先驅(qū)體陶瓷主要由無定型SiAlCN基體相和自由碳相組成,XRD的分析表明SiAlCN先驅(qū)體陶瓷具有典型的非晶態(tài)結構和良好的高溫抗結晶特性;Raman和XPS的結果證明,隨著熱解溫度的升高,陶瓷內(nèi)部結構重新排列,自由碳相有序度逐漸提高,其結構由sp~3雜化向sp~2雜化轉(zhuǎn)變。對電性能的研究發(fā)現(xiàn),隨著熱解溫度的升高,直流電導率逐漸增加(由1.19E-8到1.50E-3),利用阿倫尼烏茲方程擬合得到其激活能為5.15 eV,與其它體系聚合物陶瓷研究得到的激活能不同,通過交流阻抗分析發(fā)現(xiàn)Al的加入降低了自由碳相對溫度的敏感度,從而使非晶SiAlCN基體在導電過程中占主導地位。其次,不同測試溫度下樣品的阻抗和電導模量分析結果表明,SiAlCN聚合物先驅(qū)體陶瓷具有典型的NTC特性,修正后的電導率和電導模量完全重合在一起,說明SiAlCN陶瓷遵循同一個導電機理,通過σ_0與成線性關系確定其導電機理是帶尾態(tài)跳躍(BTH)。此外,對介電性能的研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,SiAlCN陶瓷的介電常數(shù)逐漸增加,損耗由介電損耗向電導損耗轉(zhuǎn)變,樣品內(nèi)部發(fā)生的主要極化是界面極化和德拜極化;對樣品施加不同壓力發(fā)現(xiàn),樣品具有良好的壓阻特性和壓力-介電性能,證明SiAlCN陶瓷同樣具有制備壓力傳感器的潛力。最后,成功設計并制備出SiAlCN先驅(qū)體陶瓷溫度傳感器,通過Labview和惠斯通電橋搭建的測試系統(tǒng)對傳感性能進行測試,結果顯示該溫度傳感器在60次循環(huán)后仍然具有良好的重復性、靈敏度高、響應速率快(比K型熱電偶快4倍左右),并能在1000 ~oC高溫環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作,為后續(xù)無線溫度傳感器的研發(fā)奠定基礎。 【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.1

【圖文】：

航空航天領域不同特殊環(huán)境使用的傳感器[3]

不同種類聚合物前驅(qū)體的分子結構圖

【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 王珂瑋;聚合物轉(zhuǎn)化SiCO及SiBCN陶瓷結構和電學性能研究[D];西北工業(yè)大學;2016年

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本文編號：2712403