先驱体转化法制备SiAlCN陶瓷及其电性能研究

摘要

航空航天等领域常涉及高温、强电磁干扰等极端工作环境，如何在此条件下瞬时、精确实现对物理量感知和测量，一直是困扰科学界和工业界的难题。同时，特殊的应用背景也对在此环境下工作的传感器材料提出了很高要求。以PDCs-Si为代表的现代陶瓷材料因其具有耐高温，抗腐蚀，密度高，硬度小的特点。且具有独特的电性能，例如不同裂解温度下体现出不同电性能，且半导体性能能够保持到很高温度等特点使其成为电子，信息，宇航等高技术领域关键部件的理想材料。其中，在SiCN三元体系的基础上发展出的SiAlCN四元体系的整体性能较之SiCN三元体系又有了极大提升，是应用于极端环境传感器材料的不二之选。
　　本文首先从SiAlCN先驱体的合成入手，选用含有C=C，Si-H键的直链状聚硅氮烷与异丙醇铝为原料，在惰性气体保护下，严格控制水氧值，合成得到SiAlCN先驱体。进而对先驱体进行分析表征，得到了先驱体合成过程中发生的反应机理。并在此基础上，进行先驱体的交联固化与裂解。对先驱体在不同温度下的固化产物进行表征，分析固化过程中发生的主要反应类型，得到交联固化机理。
　　之后，改进了块体材料的制备工艺。在目前广泛使用的干压成型的基础上，对制备工艺流程进行优化，增加冷等静压成型工序，消除干压单向受压、施压带来的内部压力梯度，得到内部均匀且较为致密的坯体。在一定升温速率条件下，对坯体裂解成型，并对比分析了传统干压成型工艺和经优化后所得到的试样特征。通过应用XRD，XPS，FT-IR，拉曼等分析测试手段对陶瓷化过程进行了分析表征，获取随温度升高的微观组织结构变化规律，并且阐释了铝元素含量对微观组织结构演变的影响。
　　最后，分析和表征PDCs-SiAlCN材料的电性能。阐释了结晶态与非晶态试样电导率随温度变化的规律与机理，同时探究了铝元素对电性能的影响规律。
　　本文通过对PDCs-SiAlCN体系先驱体的合成，交联固化，裂解一系列过程进行了分析表征，探究了陶瓷化过程，阐释了SiAlCN体系的导电机理，对PDCs-SiAlCN体系陶瓷材料在传感器方向的应用发展具有重要意义。