前驱体陶瓷的结构演变与电性能机理的量化研究

Polymer-derived ceramics (PDCs) are a set of materials synthesized by thermal decomposition of polymeric precursors. Previous studies revealed that PDCs exhibited many superior features and properties, including excellent high-temperature stability, superior high-temperature electric behavior, material manipulation capability and flexible manufacturing of ceramic components with complex structures. However, the structure, structural evolution, and electric behavior of the materials have not been fully understood yet, which significantly limits the usage of the unique features and the applications of the materials. In this project, we will synthesize polymeric precursors with systemically changed compositions and structures to obtain PDCs with varied compositions and structures. We will then study the mechanisms that govern the structural evolution and the unique electric behavior by quantitatively analyzing the material structures at multi-scales and systemically characterizing their electric properties, thus establish processing-structure-property relationships. The results of this project will significantly advance the fundamental science of amorphous materials, provide scientific guideline for material optimization, and promote the applications of PDCs.

前驱体陶瓷（PDC）是通过热解聚合物前驱体制备的一类高温多功能材料，具有高温稳定性、高温电性能、易于材料优化和易于制造复杂结构器件等优点。但至今人们对PDC的结构、结构演变机理、电性能机理的认识还很模糊，更缺乏定量的理解。这不仅造成PDC的很多优点难以发挥，阻碍了这一特殊材料的应用，也使得其基础研究停止不前。本项目将通过合成具有不同成分和结构的前驱体来制备具有不同成分和结构的PDC，通过对PDC结构做多尺度的定量分析以及对其半导性和压阻性的系统表征，研究并理解其结构演变机理和电性能机理，进而获得PDC的工艺-结构-电性能关系。本项目的研究成果将极大地推进对非晶态材料的科学认知，为材料优化提供科学依据，促进PDC的广泛应用。

聚合物前驱体陶瓷的电学行为不仅因其在制作高温传感器方面的潜力而受到越来越多的关注。PDC是本质上复杂的系统由硅基四面体基体相和纳米级高无序“游离碳”相，包括类石墨sp2碳。PDC具有多种独特的性能，例如抗高温分解和蠕变的稳定性，高达1300°C的高温半导体特性、巨大的压阻系数。为了促进PDCs在高温微电子机械系统（MEMS）和微传感器中的应用，必须了解PDCs的基本电学性质与结构的关系。.本研究发现了界面极化是低频时对介电常数的贡献。界面极化随温度升高而增大。随温度升高，自由碳逐步石墨化，导致SiCNO陶瓷介电常数升高，揭示了SiCNO陶瓷的主要极化机制为界面电荷极化，该机制由双肖特基势垒主导，遵循3D随机跳跃，损耗机制为直流电导损耗及界面极化损耗。阐明了裂解温度对SiCNO陶瓷界面势垒的影响规律，以及界面势垒对介电性能的作用机制，为优化设计聚合物转化陶瓷的介电性能提供了依据。.本研究还建立了 SiCN 陶瓷的纳米结构和电学性能之间的联系，表明陶瓷电学性能由游离碳的含量和石墨化程度决定，为 SiCN 陶瓷的改性奠定了基础。发现制备工艺对陶瓷结构和性能有巨大影响，先驱体浸渍/裂解法制备的陶瓷游离碳石墨化程度和电导率显著提高，但陶瓷压阻系数不变，先驱体浸渍/裂解法制备的致密陶瓷有望应用于压力传感器。首次提出了基于聚合物转化陶瓷的双层陶瓷传感器（高阻陶瓷层作为基板，低阻陶瓷层作为热敏元件），并通过 DVB 改性 SiCN 陶瓷成功制备了薄层聚合物转化陶瓷传感器原型，是目前最可能实际应用的聚合物转化陶瓷温度传感器。