【原创】“知冷知热”的PDC—SiCN陶瓷是个啥?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  就目前而言,由于有线有源传感器中电池的使用寿命有限,外加电源时传感器的线路布局也是一个技术难题,因此有线有源温度传感器已经满足不了人们的需求,开发出在极端恶劣环境中稳定工作的无线无源温度传感器显得较为迫切。

中国粉体网讯  随着科技的快速发展,航天、航空、核电、国防、交通等领域对高温恶劣环境的温度监控显得越来越重要。比如航空发动机工作中的高温恶劣环境,通常伴随着高压和高湿性、高腐蚀性气体。在如此恶劣的环境中,现有的传统材料制备的温度传感器根本无法实现稳定、有效的监控。就目前而言,由于有线有源传感器中电池的使用寿命有限,外加电源时传感器的线路布局也是一个技术难题,因此有线有源温度传感器已经满足不了人们的需求,开发出在极端恶劣环境中稳定工作的无线无源温度传感器显得较为迫切。


1、Al2O3传感器




温度传感器制备的主要流程图


但Al2O3材料在高温下抗热冲击性能较差,而且微波阶段的损耗很高,因此并不是传感材料的最佳选择。


2、PDC—SiCN陶瓷基温度传感器


SiC和AlN作为新型的耐高温传感元材料,在一定程度上提高了传感器的工作温度(可达600℃),但其制备工艺十分昂贵,并不是一种理想的耐高温温敏传感元材料。


目前,国际上发展了一种耐高温的聚合物先驱体陶瓷PDC—SiCN,它不仅具有极好的耐高温特性而且制备工艺简单,是超高温、腐蚀、辐射环境应用的半导体器件、温敏压敏传感器潜在的优良选材。它是以聚硅氮烷为前驱体、过氧化二异丙苯为热引发剂来制备PDC—SiCN陶瓷圆片,热解温度为800℃,退火温度为1100℃。对其进行650℃、12h的热氧化处理后,将得到的陶瓷圆片进行表面抛光处理从而得到表面粗糙度<1μm的陶瓷片。聚硅氮烷是一类以Si—N为主链的无机聚合物,由于其化学结构的特殊性,在高温条件下可转化为SiCN。




利用PDC—SiCN陶瓷材料的介温特性,将PDC—SiCN陶瓷作为电介质材料填充在谐振腔中,构成无线无源温度传感器的谐振器。谐振器经天线接收到外部宽频微波的激励信号后,宽频微波在谐振器内部发生谐振,然后通过天线把经PDC—SiCN陶瓷谐振后的信号传输出去。由于PDC—SiCN陶瓷的介温特性导致谐振器的谐振频率随环境温度的变化而发生相应的变化。由此,可以建立谐振腔的谐振频率变化与环境温度变化的对应关系,通过公式转换,将谐振频率与环境温度的关系转换成PDC—SiCN陶瓷的介电常数和介电损耗变化与环境温度变化的对应关系。


2011年,An等利用PDC—SiCN陶瓷的介温特性,报道了一种以SiCN陶瓷为温敏元件,以金为谐振腔材料的无线无源温度传感器,使用共面波导线作为微波的传输线,利用矢量网络分析仪对信号进行处理,准确地测量出无线无源温度传感器的谐振频率和介电常数与温度之间的变化关系。2013年,li等以SiCN陶瓷为温敏元件,以银为谐振腔材料的无线无源温度传感器,该传感器将圆柱形射频谐振器与开槽天线集成在一起,使用波导同轴转接器作为信号的收发天线,测试表面该无线无源温度传感器的有效传输距离可达到200mm。


3、PDC—SiBCN陶瓷


目前,国际上又提出了一种新型的聚合物先驱体陶瓷SiBCN(PDC—SiBCN),其具有更加优异的高温热稳定性、抗氧化性、高温电学特性和抗蠕变性,并且陶瓷制备工艺简单。研究发现,PDC—SiBCN陶瓷的介电常数随测试温度的升高而单调增加,其具有优异的介温性能,经测试,用其制成的传感器在1100℃高温下有较高的灵敏度,远高于PDC—SiCN传感器,是应用于极端环境传感器材料的不二之选。


参考来源:

[1]余煜玺等. PDC—SiBCN陶瓷基无线无源温度传感器的性能

[2]李来超等. PDC—SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备

[3]任重等.基于高温烧结氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器

[4]余煜玺等.有线无源PDC—SiCN陶瓷基温度传感器的设计与制备


(中国粉体网编辑整理/山川)

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