石墨烯改性PDC-SiCN陶瓷的制备、性能及其温度传感器的应用

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聚合物先驱体陶瓷(Polymer Derived Ceramics,PDC)具有优异的耐高温、抗氧化和半导体性质,并且其电学性能可以很容易通过改变PDC陶瓷结构中的碳含量来优化。利用PDC陶瓷材料的电学特性,可以将PDC陶瓷制备成传感器、锂离子电池负极材料等,其中将PDC陶瓷制备成温度传感器是国际研究的一个热点。以氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)为碳源、无水乙醇(Ethyl alcohol,ETOH)为分散剂、过氧化二异丙苯(Dicumyl peroxide,DCP)为热引发剂、聚乙烯基硅氮烷(Polyvinylsilazane,PVSZ)为PDC-SiCNO陶瓷先驱体,制备了不同GO质量分数(wt%)含量的石墨烯球改性PDC-SiCNO陶瓷(PDC-SiCNO-GO)。通过 SEM 分析发现,当 GO 含量为 0.03 wt%和 0.1 wt%时,GO 在 PDC-SiCNO-GO陶瓷基体中以微球形态存在,而当GO含量为0.3 wt%时,PDC-SiCNO-GO陶瓷基体中的GO微球出现坍塌。结合FI-IR、XRD分析GO的形成机理表明,GO微球是通过其结构边缘的羟基和羧基与PVSZ在水解过程中释放出的NH3发生反应和重组,并以PVSZ热解过程中释放的小分子气体为模板形成的。通过Raman和EPR表征发现,随着PDC-SiCNO-GO陶瓷结构中GO含量的增加,陶瓷结构中的碳簇从1.26 nm增大到1.47 nm,未成对电子数量也随着GO含量的增加而变大。分析PDC-SiCNO-GO陶瓷室温直流电导率发现,当陶瓷结构中的GO 从 0 wt%增大到 0.1 wt%时,电导率从 1.62E-08(Ω/cm)-1 增大到 1.39E-07(Ω/cm)-1,而当PDC-SiCNO-GO陶瓷结构中GO质量分数增大到0.3 wt%时,PDC-SiCNO-GO陶瓷的直流电导率反而降到6.56E-08(Ω/cm)-1。分析PDC-SiCNO-GO陶瓷的高温直流电导、室温介电常数和低频高温介电常数发现,当PDC-SiCNO-GO陶瓷结构GO含量从0 wt%增大到0.1 wt%时,PDC-SiCNO-GO陶瓷的高温直流电导、室温介电常数和低频高温介电常数随GO含量的增加而增大,当GO含量为0.3 wt%时,PDC-SiCNO-GO陶瓷的高温直流电导、室温介电常数和低频高温介电常数反而降低。以GO为碳源、N’N-二甲基甲酰胺(Dimethylformamide,DMF)为分散剂、DCP为热引发剂、PVSZ为PDC-SiCN陶瓷先驱体,制备了不同质量分数的石墨烯增强SiCN陶瓷(PDC-SiCN-rGO)。使用EDS/SEM分析陶瓷结构中的C元素发现,当GO含量为0.3 wt%时,C元素的分布在陶瓷结构中出现团聚现象。结合Raman mapping分析发现,当GO质量分数为0.3 wt%时,陶瓷结构中碳簇的大小不均匀。研究了 PDC-SiCN-rGO的室温直流电导发现,当PDC-SiCN-rGO陶瓷结构中含有0.2 wt%的GO时,其直流电导率比PDC-SiCN陶瓷增大了 6个数量级,达到 4.35E-03(Ω/cm)-1,而当 GO 含量为 0.3 wt%时,PDC-SiCN-rGO 陶瓷的电导率反而降低到3.34E-06(Ω/cm)-1。结合EDS/SEM和Raman光谱对PDC-SiCN-rGO陶瓷的导电机理进行研究发现,当PDC-SiCN-rGO陶瓷结构中碳簇越大,分布越均匀,则直流电导率越大。利用PDC-SiCNO和PDC-SiCNO-GO-0.1陶瓷的热敏特性,制备了基于PDC-SiCNO和PDC-SiCNO-GO-0.1陶瓷热敏特性的温度传感器,研究了PDC-SiCNO和PDC-SiCNO-GO-0.1陶瓷基温度传感器的温阻特性发现,在测温范围为25-600 ℃之间时,PDC-SiCNO和PDC-SiCNO-GO-0.1陶瓷基温度传感器的B值分别为1350 K和2409K,灵敏度范围分别为-2.7%K—-0.32%K和-1.5%K—-0.18%K,表明PDC-SiCNO-GO-0.1陶瓷基温度传感器的稳定性和灵敏度比PDC-SiCNO陶瓷基温度传感器好。验证了温度传感器测温集成系统的实用性发现,在常温时传感器测试的温度与实际温度相差30 ℃,而在高温时温差为80 ℃。
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