PDC陶瓷基无线无源温度传感器的制备与测试

摘要

燃气轮机内部具有高温和腐蚀性气体环境，开发出能够在如此恶劣环境中长期稳定工作的温度传感器，无论从材料结构设计或功能化应用的角度都要面临巨大的技术挑战。先驱体陶瓷（Polymer derived ceramic，PDC）具有优异的耐高温特性，特别适合在高温环境中的应用。以PDC为传感元的无线无源温度传感器有望能实现对燃气轮机内部温度的实时监测。
　　以过氧化二异丙苯(Dicumyl peroxide，DP)为热交联剂，以聚乙烯基硅氮烷(Polyvinylsilazane，PVSZ)为先驱体制备了PDC-SiCN，以聚硼硅氮烷（Polyborosilazane，PBSZ）为先驱体制备了PDC-SiBCN，以PVSZ和仲丁醇铝（Aluminum sec-butoxide，ASB）为先驱体原料制备了PDC-SiAlCN，并对制得的PDC-SiCN和PDC-SiAlCN的介电特性进行了研究。高温介电研究表明，PDC-SiCN和PDC-SiAlCN的介电常数随测试温度的升高单调增加;高频介电研究表明，氧化除碳后PDC-SiAlCN的介电常数和介电损耗随PDC-SiAlCN中Al含量的增加而下降。
　　对以直径不同的PDC-SiCN为传感元，银和铂为谐振腔材料制备的无线无源温度传感器的研究表明，相同测试温度下传感元直径越小的传感器的谐振频率越大，传感器的最高测试温度为800℃，对应的谐振频率和灵敏度分别为10.38GHz和0.5437MHz/℃;对以热解温度不同的PDC-SiBCN圆片为传感元，银和铂为谐振腔材料制备的无线无源温度传感器的研究表明，传感元的热解温度在1000～1200℃之间时，相同测试温度下传感元热解温度越高的传感器的谐振频率越小，而当传感元的热解温度为1300℃时，对应传感器的谐振频率的变化出现异常，传感器的最高测试温度为800℃，对应的谐振频率和灵敏度分别为10.895 GHz和0.5135MHz/℃;对以Al含量不同的PDC-SiAlCN圆片为传感元，铂为谐振腔材料制备的无线无源温度传感器的研究表明，相同测试温度下传感元的Al含量越高的传感器的谐振频率越大，传感器的最高测试温度为825℃，对应的谐振频率和灵敏度分别为16.448 GHz和1.461MHz/℃。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 PDC陶瓷简介

1．2．1 PDC陶瓷先驱体

1．2．2 PDC陶瓷制备工艺

1．2．3 PDC陶瓷的性能研究

1．3 PDC陶瓷基传感器研究进展

1．3．1 PDC陶瓷基温度传感器

1．3．2 PDC陶瓷基压力传感器

1．3．3 PDC陶瓷基热线风速计和热流计

1．4 选题依据及研究内容

1．4．1 选题依据

1．4．2 研究内容

第二章 PDC陶瓷的制备以及传感器测试系统的搭建

2．1 实验原料

2．2 PDC陶瓷的制备

2．2．1 PDC-SiAlCN陶瓷的制备

2．2．2 PDC-SiCN陶瓷的制备

2．2．3 PDC-SiBCN陶瓷的制备

2．3 表征方法

2．3．1 红外光谱

2．3．2 X射线衍射

2．3．3 扫描电镜

2．3．4 拉曼光谱

2．3．5 电子自旋共振

2．3．6 高温介电性能测试

2．3．7 高频介电性能测试

2．3．8 高温直流电导率测试

2．4 传感器测试系统的搭建

第三章 先驱体与PDC陶瓷的表征

3．1 先驱体的表征

3．2 PDC陶瓷的成分结构分析

3．3 PDC陶瓷的电学性能分析

3．3．1 高温介电特性

3．3．2 高频介电特性

3．3．3 高温直流电导率

3．4 本章小结

第四章 PDC陶瓷基无线无源温度传感器的制备与测试

4．1 PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备与测试

4．1．1 PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备

4．1．2 PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的测试

4．2 PDC-SiBCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备与测试

4．2．1 PDC-SiBCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备

4．2．2 PDC-SiBCN陶瓷基无线无源温度传感器的测试

4．3 PDC-SiAlCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备与测试

4．3．1 PDC-SiAlCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备

4．3．2 PDC-SiAlCN陶瓷基无线无源温度传感器的测试

4．4 本章小结

第五章 总结

第六章 展望

参考文献

致谢

附录：硕士期间科研成果