技术领域本发明涉及传感器，尤其是涉及一种圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器的制备方法。
背景技术：
冶金炉、核反应堆等设备的工作温度通常在1000℃以上，且具有高腐蚀、高压和高辐射等。目前市场上所用的NTC热敏电阻温度传感器绝大多数近适用于0～150℃，在如此恶劣的环境下根本无法正常工作。主要原因是现有的NTC热敏电阻传感器所用的材料无法满足在恶劣环境下测试的要求，且制备工艺复杂，需要放线剥皮、浸锡、焊接和封装。因此开发出一种适用于恶劣工作环境且制备工艺简单的温度传感器具有非常重要的意义。利用聚合物先驱体聚硅氮烷热解制备的SiCN陶瓷不仅具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化和耐腐蚀等优异的性能，且制备工艺简单、可设计性强以及成型温度低等优点。更重要的是这种利用聚合物先驱体聚硅氮烷热解制备的SiCN陶瓷，还是一种新型的半导体材料。经过研究发现，SiCN陶瓷的半导体性质(电阻与温度关系)可以通过添加不同的碳源来改变。石墨烯是一种以碳原子SP2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的单层片状结构的新材料。是世界上已知最薄、最坚硬的纳米材料。因此，石墨烯也可以用来改变SiCN陶瓷的半导体性质。通过文献调研，有关石墨烯增强SiCN陶瓷，并将其制备成圆柱形温度传感器尚未见报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的NTC热敏电阻传感器制备工艺复杂，不能满足在恶劣环境在测试等缺点，提供一种制备工艺简单、可在恶劣环境下使用的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器的制备方法。本发明包括如下步骤：1)将氧化石墨烯放入容器中，加入DMF溶液后封口，将容器放入超声机中超声，得氧化石墨烯DMF分散液A；2)将聚硅氮烷溶液放入容器中，加入步骤1)得到的氧化石墨烯DMF分散液A，再加入过氧化二异丙苯(DCP)后封口，超声后得混合溶液B；3)将混合溶液B在惰性气氛中进行热交联，使淡黄色的液体变为黑色的聚硅氮烷与氧化石墨烯复合的固体，球磨成粉末，然后用压片模具将粉末压成圆片，将圆片在惰性气体保护下热解，退火处理后得非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片；4)在步骤3)得到的非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片表面钻两个孔，在两个孔中插入铂丝，再将聚硅氮烷注入非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片中，放入管式炉中，在氮气气氛下热解，即得圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器。在步骤1)中，所述氧化石墨烯和DMF溶液的配比可为5mg∶5ml，其中氧化石墨烯以质量计算，DMF溶液以体积计算；所述超声机的功率可为200～250W，优选220W，超声的时间可为1～2h，优选1h；所述氧化石墨烯DMF分散液A的质量浓度可为0.5～3mg/ml，优选1mg/ml。在步骤2)中，所述聚硅氮烷溶液、氧化石墨烯DMF分散液A、过氧化二异丙苯(DCP)的配比可为3g∶1ml∶(0.07～0.15)g，其中，聚硅氮烷溶液、过氧化二异丙苯(DCP)以质量计算，氧化石墨烯DMF分散液A以体积计算；所述超声的时间可为30～60min，优选30min。在步骤3)中，所述惰性气氛可为氮气或氩气；所述热交联的温度可为140～400℃，热交联的升温速率可为0.5～1℃/min；所述球磨时间可为15～45min；所述压片模具的直径可为13mm；所述将粉末压成圆片的压力可为10～20MPa，优选10MPa；所述圆片的厚度可为8mm厚的圆片；所述热解的温度可为1000～1500℃，热解的升温速率可为1～5℃/min；所述退火处理的时间可为1～5h；所述非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片的厚度可为5～10mm。在步骤4)中，所述两个孔的孔深度可为1～2mm，优选1.5mm，直径可为0.3～0.7mm，优选0.5mm，两孔之间的距离可为2～6mm，优选3mm；所述铂丝的直径可为0.3～0.7mm，优选0.5mm；所述将聚硅氮烷注入非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片中可利用真空浸渍工艺，其步骤为：将插入铂丝的非晶态的石墨烯增强SiCN陶瓷圆片放入装有聚硅氮烷倒入容器中，并放入真空干燥皿中，最后将真空干燥皿抽真空，保压10min后放入空气，反复3次；所述热解的温度可为1000～1500℃，优选1000℃，热解的时间可为1～5h，优选4h。与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明所用原材料来源广泛,易获取。制备方法的条件均较简单。所制备的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器可以在高温、腐蚀性和高辐射等极端恶劣的环境下稳定使用。附图说明图1是本发明实施例1所制备的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器的实物图(与铂丝连接后的实物图)。图2是本发明实施例1所制备的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器的实物图(将铂丝用刚玉管固定后的实物图)。具体实施方式以下通过实施例结合附图对本发明做进一步说明。实施例11、将容器分别用去离子水和无水乙醇超声清洗2遍，烘干。用精度为0.1mg的电子天平称取5mg的氧化石墨烯于容器中。用量筒量取5mlDMF(二甲基甲酰胺)于容器中，迅速封口。放入超声清洗机中以220W的功率超声1h得到氧化石墨烯DMF分散液A，浓度为1mg/ml。2、用电子天平称量3g聚硅氮烷和0.12gDCP于容器中，用量筒量取1ml氧化石墨烯DMF分散液A并加入到聚硅氮烷液体中，搅拌1h，超声30min得到混合液B。3、将混合液B加入到锡箔纸折叠的容器中，放入管式炉中，在氮气的气氛中交联。交联温度为300℃，升温速率为0.5℃/min，交联固化后得到黑色固体。4、将黑色固体用粉碎机打碎成粉末，用电子天平称量2g粉末，放入玛瑙球磨罐中球磨15min。得到的粉末过250目筛。5、用电子天平称量0.4g粉末加入直径为13mm的压片模具中，压力为15MPa。得到厚度约为5mm的圆形陶瓷素坯。6、将陶瓷素坯片在氮气气氛中进行烧结。以0.5℃/min的升温速度，从室温逐步升温至800℃，在800℃保温4h后自然冷却到室温，得到棕色陶瓷圆片。7、将得到的棕色陶瓷圆片再进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N2气氛下以3℃/min的升温速度，从室温升至1000℃，保温4h后自然冷却到室温，最终得到黑色陶瓷圆片。8、将得到的陶瓷圆片用钻孔机在陶瓷表面上钻两个孔，孔的直径为0.5mm，深度为1.5mm，两孔之间的距离为3mm。9、然后将直径为0.5mm的铂丝插入孔中。利用真空浸渍工艺将聚硅氮烷注入陶瓷圆片中，其步骤为：将插入铂丝的陶瓷圆片放入装有聚硅氮烷倒入容器中，并放入真空干燥皿中。最后将真空干燥皿抽真空，保压10min后放入空气，反复三次。10、将浸渍后的陶瓷圆片放入管式炉中，在氮气气氛下烧结得到与铂丝紧密连接的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器。其中烧结温度为1000℃，升温速率为5℃/min。实施例21、将容器分别用去离子水和无水乙醇超声清洗2遍，烘干。用精度为0.1mg的电子天平称取10mg的氧化石墨烯于容器中。用量筒量取5mlDMF(二甲基甲酰胺)于容器中，迅速封口。放入超声清洗机中以220W的功率超声1.5h得到氧化石墨烯DMF分散液A，浓度为2mg/ml。2、用电子天平称量3g聚硅氮烷和0.12gDCP于容器中，用量筒量取1ml氧化石墨烯DMF分散液A并加入到聚硅氮烷液体中，搅拌1.5h，超声45min得到混合液B。3、将混合液B加入到锡箔纸折叠的容器中，放入管式炉中，在氮气的气氛中交联。交联温度为160℃，升温速率为0.5℃/min，交联固化后得到黑色固体。4、将黑色固体用粉碎机打碎成粉末，用电子天平称量2g粉末，放入玛瑙球磨罐中球磨30min。得到的粉末过250目筛。5、用电子天平称量0.6g粉末加入直径为13mm的压片模具中，压力为10MPa。得到厚度约为6mm的圆形陶瓷素坯。6、将陶瓷素坯片在氮气气氛中进行烧结。以0.5℃/min的升温速度，从室温逐步温升至800℃，在800℃保温4h后自然冷却到室温，得到棕色陶瓷圆片。7、将得到的棕色陶瓷圆片再进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N2气氛下以3℃/min的升温速度，从室温升至1100℃，保温4h后自然冷却到室温，最终得到黑色陶瓷圆片。8、将得到的陶瓷圆片用钻孔机在陶瓷表面上钻两个孔。孔的直径为0.3mm，深度为1.5mm，两孔之间的距离为4mm。9、然后将直径为0.3mm的铂丝插入孔中。利用真空浸渍工艺将聚硅氮烷注入陶瓷圆片中，其步骤为：将插入铂丝的陶瓷圆片放入装有聚硅氮烷倒入容器中，并放入真空干燥皿中。最后将真空干燥皿抽真空，保压10min后放入空气，反复三次。10、将浸渍后的陶瓷圆片放入管式炉中，在氮气气氛下烧结得到与铂丝紧密连接的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器。其中烧结温度为1100℃，升温速率为5℃/min，保温时间为4h。实施例31、将容器分别用去离子水和无水乙醇超声清洗2遍，烘干。用精度为0.1mg的电子天平称取15mg的氧化石墨烯于容器中。用量筒量取5mlDMF(二甲基甲酰胺)于容器中，迅速封口。放入超声清洗机中以240W的功率超声1h得到氧化石墨烯DMF分散液A，浓度为3mg/ml。2、用电子天平称量3g聚硅氮烷和0.15gDCP于容器中，用量筒量取1ml氧化石墨烯DMF分散液A并加入到聚硅氮烷液体中，搅拌2h，超声60min得到混合液B。3、将混合液B加入到锡箔纸折叠的容器中，放入管式炉中，在氮气的气氛中交联。交联温度为200℃，升温速率为0.5℃/min，交联固化后得到黑色固体。4、将黑色固体用粉碎机打碎成粉末，用电子天平称量2g粉末，放入玛瑙球磨罐中球磨35min。得到的粉末过250目筛。5、用电子天平称量0.7g粉末加入直径为13mm的压片模具中，压力为10MPa。得到厚度约为7mm的圆形陶瓷素坯。6、将陶瓷素坯片在氮气气氛中进行烧结。以1℃/min的升温速度，从室温逐步升温至800℃，在800℃保温4h后自然冷却到室温，得到棕色陶瓷圆片。7、将得到的棕色陶瓷圆片再进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N2气氛下以4℃/min的升温速度，从室温升至1200℃，保温5h后自然冷却到室温，最终得到黑色陶瓷圆片。8、将得到的陶瓷圆片用钻孔机在陶瓷表面上钻两个孔。孔的直径为0.4mm，深度为2mm，两孔之间的距离为5mm。9、然后将直径为0.4mm的铂丝插入孔中。利用真空浸渍工艺将聚硅氮烷注入陶瓷圆片中，其步骤为：将插入铂丝的陶瓷圆片放入装有聚硅氮烷倒入容器中，并放入真空干燥皿中。最后将真空干燥皿抽真空，保压10min后放入空气，反复三次。10、将浸渍后的陶瓷圆片放入管式炉中，在氮气气氛下烧结得到与铂丝紧密连接的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器。其中烧结温度为1200℃，升温速率为5℃/min，保温时间为5h。实施例41、将容器分别用去离子水和无水乙醇超声清洗2遍，烘干。用精度为0.1mg的电子天平称取2.5mg的氧化石墨烯于容器中。用量筒量取5mlDMF(二甲基甲酰胺)于容器中，迅速封口。放入超声清洗机中以230W的功率超声2h得到氧化石墨烯DMF分散液A，浓度为0.5mg/ml。2、用电子天平称量3g聚硅氮烷和0.08gDCP于容器中，用量筒量取1ml氧化石墨烯DMF分散液A并加入到聚硅氮烷液体中，搅拌1h，超声40min得到混合液B。3、将混合液B加入到锡箔纸折叠的容器中，放入管式炉中，在氮气的气氛中交联。交联温度为350℃，升温速率为1℃/min，交联固化后得到黑色固体。4、将黑色固体用粉碎机打碎成粉末，用电子天平称量2g粉末，放入玛瑙球磨罐中球磨45min。得到的粉末过250目筛。5、用电子天平称量0.7mg粉末加入直径为13mm的压片模具中，压力为12MPa。得到厚度约为7mm的圆形陶瓷素坯。6、将陶瓷素坯片在氮气气氛中进行烧结。以1℃/min的升温速度，从室温逐步升温至800℃，在800℃保温4h后自然冷却到室温，得到棕色陶瓷圆片。7、将得到的棕色陶瓷圆片再进行退火。在高温管式炉中进行烧结，高纯N2气氛下以5℃/min的升温速度，从室温升至1400℃，保温4h后自然冷却到室温，最终得到黑色陶瓷圆片。8、将得到的陶瓷圆片用钻孔机在陶瓷表面上钻两个孔。孔的直径为0.6mm，深度为3mm，两孔之间的距离为5mm。9、然后将直径为0.6mm的铂丝插入孔中。利用真空浸渍工艺将聚硅氮烷注入陶瓷圆片中，其步骤为：将插入铂丝的陶瓷圆片放入装有聚硅氮烷倒入容器中，并放入真空干燥皿中。最后将真空干燥皿抽真空，保压10min后放入空气，反复三次。10、将浸渍后的陶瓷圆片放入管式炉中，在氮气气氛下烧结得到与铂丝紧密连接的圆柱形石墨烯增强SiCN陶瓷温度传感器。其中烧结温度为1400℃，升温速率为5℃/min，保温时间为4h。