[发明专利]一种连续碳化硅陶瓷纤维热敏电阻的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热敏电阻，尤其是涉及一种连续碳化硅陶瓷纤维热敏电阻的制备方法。

背景技术

热敏电阻是电阻值随温度变化的一类敏感元件，主要分为正温度系数热敏电阻器(Positive Temperature Coefficient，PTC)和负温度系数热敏电阻器(Negative Temperature Coefficient，NTC)。PTC指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻材料，因其特点，主要用作恒定温度传感器；NTC在温度越高时电阻值越小，电阻随温度变化的灵敏度高，可为线性关系，且响应速度相对快，因此主要用作动态温度的测定。对于动态测温用热敏电阻来说，电阻温度系数(热敏指数)、性能随温度变化的稳定性(线性度)及热响应速度(时间常数)均为其关键指标。

红外温度传感器是热敏电阻重要的应用方向之一。目前常用的红外传感器分为两大类，量子型红外传感器和热电型红外传感器。前者在响应和敏感度上优于后者，但其对波长很敏感，而且需要冷却设备，成本高昂。后者可在室温工作，对波长变化不敏感，但响应速度较慢(杨波,陈忧先.热释电红外传感器的原理和应用[J].仪表技术,2008,(6):66-68)。故两者目前都难以应用于高水平红外分析。因此，研发响应速度快，响应率高，且成本低的材料是制备高响应率热电型红外传感器的关键途径。近年来，随着热敏电阻应用的发展，除了需求低电阻率、高热敏指数的热敏电阻之外，一些特殊功能(如压力、湿度传感器的温度补偿)的实现也对高电阻、低热敏指数的热敏电阻也提出了急切需求。

碳化硅具有宽能隙(6H-碳化硅的带宽约3eV)，高化学惰性和耐高温、抗辐射、机械强度大等优良的特性，其制作的NTC热敏电阻已开始在温度传感领域应用，形式主要是射频溅射法制作的薄膜和用升华法制作的单晶块体。如日本松下公司研制的碳化硅薄膜热敏电阻的使用温区为-100℃到+450℃，常温阻值为100KΩ至1MΩ，零度以下的热敏指数高于1000K(陶明德,谭辉,曲风钦,等.碳化硅非晶薄膜温度传感器[J].自动化仪表,1988,01)，中科院研制的碳化硅非晶薄膜温度传感器具有和日本松下公司相当的性能指标(谭辉,陶明德.Si-C混合非晶膜的退火特性分析[J].仪表材料,1984,05；杨树贵,王静,刘玉娟.碳化硅薄膜热敏材料的制备[J].仪表材料,1989,01)。但这类薄膜材料均具有响应时间偏高(约1s)的缺点，不适用于高速响应器件。另外，薄膜材料的制备需要依赖于基体，且其工艺特性决定了其批量小，成本高的弊端，限制了其推广。

细直径的连续碳化硅纤维是上世纪末在日本研发并产业化的高性能陶瓷纤维，其直径在10μm左右，因其轻质、高强、高模、耐高温、抗氧化且可编织的特点，已被作为高性能复合材料的增强体，用于航空航天器件高性能构件的制备(陈朝辉.先驱体结构陶瓷[M].长沙:国防科技大学出版社,2003,106-107；Cooke T F.Inorganic fibers-a literature review[J].J Am Ceram Soc,1991,74(12):2959-2978；冯春祥,范小林,宋永才.21世纪高性能纤维的发展应用前景及其挑战(1)硅化物陶瓷纤维[J].高科技纤维与应用,1999,24(4):1-8)。尽管连续碳化硅陶瓷纤维作为热结构材料的应用背景已经非常明确，但目前还未见其用于温度传感方面的制备与应用研究。连续碳化硅纤维比表面积大，热容小，理应具有远远高于薄膜和块体材料的热响应速度；而且由于该纤维的强度高、柔度大且自支撑，故可在微尺度内进行裁剪和排列，便于传感器的异形化、微型化、轻量化设计；此外，单根纤维即可作为热敏电阻使用，极大地降低器件成本。因此，有望成为新型高性能红外传感器的热敏电阻材料。