先驱体原位成形法制备SnO2/SiC超细气敏纤维研究

通过静电纺丝用先驱体法制备陶瓷纤维及其在微传感器方面的应用是近年来发展起来的一个新方向。本项目以能在极端条件下使用，且同时具备对多种气体敏感的气体微传感器材料及其元器件微加工技术的探索为目标，采用先驱体转化及原位成形法，设计和利用静电纺丝制备具有氧化锡径向梯度分布表面层的碳化硅超细纤维。系统研究纤维有序成形，纤维径向成分分布及氧化层厚度控制，纤维组成结构对单组分和混合气体的气敏特性、稳定性和选择性的影响规律及其机制。重点研究纤维形貌与直径、组成及其分布、晶型结构、微孔结构与分布、晶粒尺寸效应和SnO2与SiC的双层耦合效应等及其对半导体特性的影响机制等基本科学问题。本课题对功能超细陶瓷纤维的设计、制备与应用基础研究，对高温微型复合传感器乃至微机电的开发和应用研究均有较强的理论意义和实际应用价值。

通过静电纺丝用先驱体法制备陶瓷纤维及其在微传感器方面的应用是近年来发展起来的一个新方向。采用静电纺丝结合先驱体转化法和碳热还原法，成功制备出具有高比表面积的大孔-介孔-微孔SiC超细纤维和介孔SiC纳米纤维。在此基础上，突破了分级结构SnO2/SiC和TiO2/SiC微纳米纤维的制备技术，实现了分级结构纳米金属氧化物/碳化硅异质结复合纤维形貌、组成和结构的可控制备。研究了纤维组成结构对气敏性能的影响规律及其影响机理。具有分级结构的SnO2纳米片/SiC纳米纤维在350 ℃时对乙醇的灵敏度最高为23.5，在500 ℃高温下的灵敏度为7.2，是纯SnO2纳米片的2.3倍。分级结构TiO2纳米片/SiC复合纤维在450 ℃时对丙酮的灵敏度最高为19.2。同时，这两种气敏材料都表现出超快的响应/恢复速率（响应时间<5 s; 恢复时间<15 s）、优异的气敏重现性和气敏选择性。研究发现了分级结构SnO2/SiC和TiO2/SiC微纳米纤维优异的气敏性能主要是由金属氧化物在SiC纤维上的直立生长、特殊的分级结构、金属氧化物-SiC异质结相互作用和SiC高的热导率四方面原因所致。此外，还制备出具有梯度结构的ZrO2/SiC超细纤维和TiO2/C纳米纤维。该研究成功探索出一种制备非氧化物-氧化物相结合的超细陶瓷纤维气敏材料的技术，为制备其他柔性多级孔结构陶瓷纤维提供了新思路，验证了纤维状核-壳型分级结构和金属氧化物-SiC异质结的协同作用对材料气敏活性的提升作用。对功能超细陶瓷纤维的设计、制备与应用基础研究，对高温微型复合传感器乃至微机电的开发和应用研究均有较强的理论意义和实际应用价值。