郑州大学邵刚教授新论文：SiAlBCN陶瓷有很大潜力应用于高温极端环境温度信号的原位测量

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Cite this article:

Ma C, Liu K, Shao P, et al. Structural evolution and high-temperature sensing performance of polymer-derived SiAlBCN ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 478-485.

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220870

1、研究背景

目前对于高温极端环境中温度信号的原位实时监测还存在着巨大挑战，传统的金属基热电偶因其耐腐蚀性差、陶瓷基传感器检测温度有限（<600℃）等缺点限制了其在高温极端环境中的应用。聚合物先驱体陶瓷（Polymer-derived ceramics, PDCs）是通过高温热解聚合物前驱体而衍生的一类新型陶瓷材料，具有优异的高温热稳定性、良好的耐腐蚀/抗氧化性、独特的高温半导体等特性，被认为是用作极端环境温度传感器的候选材料。但是，大多数PDCs研究集中在SiCN/SiCO陶瓷和单元素掺杂的PDCs（SiAlCN、SiBCN、SiAlCO），使其无法在高温极端环境长时间稳定传输信号。因此，本文采用B（提升高温稳定性）和Al（提升抗氧化腐蚀特性）元素共掺杂制备出PDCs-SiAlBCN陶瓷，详细地研究其结构演变，并以SiAlBCN陶瓷为传感器材料制备出温度传感器，对其性能进行了评估。此外，对SiAlBCN陶瓷的耐腐蚀/抗氧化性能和动力学进行了测试分析。

2、文章亮点

本文所制备的聚合物先驱体SiAlBCN陶瓷在1200℃水/氧环境中具有较低腐蚀速率常数（0.57 mg/(cm²∙h)）和氧化速率常数（3.43 mg/(cm⁴∙h)），表现出优异的抗氧化/耐腐蚀特性。制备出的聚合物先驱体SiAlBCN陶瓷基有线温度传感器最高测量温度可达1100℃，展现出了优异的重复性、灵敏度和精度，在高温极端环境温度原位实时测量领域具有巨大的应用潜力。

3、研究结果及结论

郑州大学邵刚教授利用聚合物转化法制备了聚合物先驱体SiAlBCN陶瓷，系统分析陶瓷微观结构随热解温度的衍变，研究了该陶瓷在1200℃的抗氧化腐蚀特性及行为。结果表明，随着温度的升高，自由碳相的尺寸增大，非晶SiAlBCN相随着结构重组而变得更加有序，AlN_x混合物经历了从AlN₅到AlN₆单元的转变，但AlN₅仍然是主要单元。同时，与SiCN和SiBCN陶瓷相比，PDCs-SiAlBCN具有较低的氧化速率常数（3.43 mg²/（cm⁴·h））和挥发速率常数（0.57 mg/（cm²·h），表现出优异的抗氧化/耐腐蚀性。此外，利用SiAlBCN陶瓷制备了有线温度传感器，最高测试温度可达1100℃，展现出了良好的重复性、准确性和稳定性。这项工作表明，SiAlBCN陶瓷作为传感材料有潜力应用于高温极端环境温度信号的原位测量。

该论文得到了国家重点研发计划（2021YFB3200500）、国家自然科学基金（52072344和U1904180）、河南省优秀青年科学家基金（202300410369）、河南省高校科技创新人才支持计划（21HASTIT001）等项目资助。

图1（a）在不同温度下制备的SiAlBCN陶瓷的XRD图谱和（b）拉曼光谱，（c）FWHM和（d）I_D/I_G随热解温度的变化

图2（a）在不同温度下热解的SiAlBCN陶瓷的²⁹Si-SSNMR、（b）¹¹B-SSNMR和（c）²⁷Al-SSNMR光谱

图3（a）Si结构单元、（b）B结构单元和（c）Al结构单元的摩尔百分比随热解温度的变化

图4（a）铂丝与SiAlBCN陶瓷之间界面的SEM图像；（b）SiAlBCN传感器从室温到1100℃的温度-电阻关系；（c）SiAlBCN传感器的输出电压作为测试温度的函数；（d）SiAlBCN传感器在高温下的精度；（e）SiAlBCN传感器和热电偶的输出电压在300-900 ℃之间的曲线；（f）SiAlBCN传感器在650 ℃下150 h的稳定性试验

图5（a）SiCN、SiBCN和SiAlBCN陶瓷在1200 ℃下热处理100 h后的重量变化曲线、（b）XRD图谱、（c）表面SEM图像和（d）横截面EDS线扫描

表1硅基材料高温腐蚀和氧化性能对比

4、作者及研究团队简介

邵刚，男，中共党员，郑州大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才、国家重点研发计划首席科学家；获中国青少年科技创新奖、中国硅酸盐学会青年科技奖、中原青年拔尖人才、河南省高校科技创新人才以及郑州大学青年拔尖人才；兼任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长、中国机械工程学会工程陶瓷分会理事、中国硅酸盐学会测试分会理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事、美国陶瓷学会会员以及Journal of Advanced Ceramics、International Journal of Applied Ceramic Technology等期刊编委。

主要研究领域：聚合物先驱体陶瓷、极端环境传感器以及场辅助陶瓷制备技术等。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金（3项）、中央军委装发预研项目、中国航发产学研项目以及河南省优秀青年基金等项目10余项。在A. Func. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter.、J. Adv. Ceram.、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊上发表SCI论文200余篇，ESI高被引论文7篇，获RSC全球top1%高被引中国学者；获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）二等奖、中国发明专利银奖、中国建材联合会科学技术一等奖、河南省科技进步二等奖、河南省自然科学二等奖等奖励；参加国内外学术会议20余次，受邀做主旨报告/邀请报告10余次；授权中国发明专利15项，参编高等学校教材1部。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。

期刊中文网页：http://www.ccs-cicc.com/index.html

期刊英文网页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108