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    技術資訊丨 一種新型半導體材料——SiCN陶瓷

    2023-05-06 16:00:59

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    通過聚合物前驅體制備陶瓷材料的技術路線具有成分和結構可控、低溫制備、均勻性和致密性好、制備復雜形狀的材料以及環保等優勢,因此被廣泛應用于陶瓷材料制備領域。


    以聚硅氮烷提供硅、碳、氮三種元素來源,開發制備SiCN陶瓷是一種新興技術,其作為一種新型半導體材料具備諸多優點而擁有廣泛的應用前景。


    聚硅氮烷(全氫)的理想分子結構


    聚硅氮烷是一種非晶態的陶瓷材料,其化學成分和結構比較復雜——主鏈由硅氮原子交替構成,側鏈或為全氫,或為有機官能團,或連接其他元素。


    這種通過化學手段實現的連接,在原子水平上實現了材料中不同原子的均勻分布。制備的基本過程是聚硅氮烷前驅體(PSZ)熱解放出氫氣、甲烷等氣體,同時形成Si-C、Si-N、C-N鍵,并逐漸形成SiCN陶瓷。


    SiCN除了具有優異的高溫穩定性、抗氧化性、耐腐蝕性、高強度和高剛度等性能,也具有具有從環境到超高溫的半導體性——可用于高溫電子器件的支撐基板和封裝材料等,同時也可以用于制造各種傳感器和電容器等。


    SiCN陶瓷結構模型(來源:Advanced Ceramics期刊February 2022)


    該技術特點包括:聚硅氮烷前驅體在常溫下像油漆一樣使用,在低溫區間(200-400℃)交聯固化,紫外光、電子束也可以固化,在高溫下(600-1000℃)下轉變為SiCN陶瓷,激光、離子輻射也可以陶瓷化。而且它與基材之間形成化學鍵使得結合強度極高。


    這種聚合物轉化陶瓷(PDC)可以解決不同材料層間粘接問題,還能解決抗氧化、耐磨、耐水、耐化學品等表面防護問題。



    但是,聚硅氮烷制備技術難度大,需要嚴格的工藝控制和條件控制,同時也需要較高的技術水平和經驗,目前主要為國外領先材料企業進行商業化生產,是典型的尖端新材料,國內長期處于“卡脖子”狀態。


    沈陽化工大學滕雅娣教授長期從事有機硅合成領域的研究,在SiCN陶瓷前驅體合成領域取得了一些突破,合成出聚硅氮烷樹脂系列產品,可用于制備聚合物衍生陶瓷(PDC);


    可用于制造樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料或金屬基復合材料(CMC或MMC),可用作陶瓷粘接劑或陶瓷界面層,其中一些已經在某些領域獲得了應用。






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