基于大功率脉冲系统用导电碳化硅陶瓷的制备及其导电机理研究

The pure resistance materials will be applied in the high power impulse system.No information is discovered in the field at home and abroad.The SiC materials have the properties of semiconductivity,high critical breakdown field intensity,high thermal conductivity and low dielectric constant,but the SiC ceramics is not applied in the high power impulse system so far.This project mainly studies that the effect of dopants on the resistance,the inductance and capacitance of SiC ceramics by designing the composition and controlling the crystal composition ,grain boundary.Equivalent circuit diagram will be described to clarify electronic carrier transport mechanism.The conductance mechanism and the key reason will be found out. The relationship between the structure and the inductance,capacitance will be explained.It can provide theoretical support for the preparation of a high-power pulse system using conductive SiC ceramics purely resistive devices to extend the applications of structural ceramics.

大功率脉冲系统中需要用到纯电阻器件，目前国内外没有报道应用于该领域的材料。SiC 材料具有半导体特性，临界击穿电场和热导率高，介电常数低，是制造高温、高辐射条件下工作的高频大功率器件和高功率密度、高集成度器件的优良材料，但是目前还没有发现将SiC 陶瓷材料应用于大功率脉冲系统，本项目通过设计材料的组成，控制材料的晶格组成，晶界相组成与含量，研究不同掺杂剂及掺杂剂含量对材料电阻率的影响，研究不同掺杂剂及掺杂剂含量对材料电感和电容的影响，建立相应的等效电路图，阐明电子等载流子在陶瓷材料中的传输机制，揭示陶瓷材料的导电机理，确定陶瓷材料导电的主要因素，弄清材料组成和结构与材料电感和电容之间的关系，为制备出大功率脉冲系统用导电SiC 陶瓷纯电阻器件提供理论支持，从而拓展结构陶瓷的应用领域。

大功率脉冲系统中需要用到纯电阻器件，目前国内外没有报道应用于该领域的材料。SiC 材料具有半导体特性，临界击穿电场和热导率高，介电常数低，是制造高温、高辐射条件下工作的高频大功率器件和高功率密度、高集成度器件的优良材料，但是目前还没有发现将SiC 陶瓷材料应用于大功率脉冲系统。本课题通过研究发现在SiC陶瓷中掺杂不同含量的C，得到的SSiC陶瓷电阻主要由晶粒电阻、晶界电阻和晶界电容组成，没有发现电感存在，同时研究发现SSiC表现出明显的非线性电学特性，其电阻率随着电流的增加而降低；对于添加3wt%C含量的SSiC陶瓷，当电场强度超过15.8V•mm-1时，晶界势垒被击穿；对于添加6wt%C含量的SSiC陶瓷，当电场强度超过70V•mm-1时，晶界势垒被击穿，它们的电阻率将为晶粒所控制，电阻率较小；同时在电场强度1 V•mm-1条件下，SSiC陶瓷电阻率随着温度的升高而降低，表现出很好热敏特性，从常温的106Ω•cm变化为400℃的5Ω•cm左右。另外本课题通过在SiC中掺杂AlN获得AlN/SiC复相陶瓷材料，其同样表现为非线性电学特性，压敏电压U1mA低至0.12V；另外通过交流阻抗法获得不同AlN含量的AlN/SiC复相陶瓷的Nyquist图谱，推导出了AlN/SiC 复相陶瓷的等效电路图，其主要包括晶粒电阻和晶界电阻、晶界电容；由于AlN固溶于SiC晶格，其中Al 取代Si的六方位置形成受主掺杂得到p型半导体，因此制备的AlN/SiC复相陶瓷电阻率相对较低。总体而言，SiC陶瓷电阻主要包括晶粒电阻和晶界电阻、晶界电容，电感几乎没有，其具有非线性电学特性，可以作为低压压敏陶瓷和热敏陶瓷使用，但是非线性系数偏小，还有很大的提高空间，有待进一步深入的研究。