网信彩票~购彩大厅气敏陶瓷,可被用作检测气体的人工“鼻子”

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气敏材料是一种新型功能材料,当其接触特定的气体物质时,这些材料的物理或化学性质就会发生较为显著的变化。

利用此种现象,人们可以通过这类敏感材料来检测特定的气体成分,而气敏陶瓷材料就属于其中的一种。

什么是气敏陶瓷?

气敏陶瓷,亦称气敏半导体,是用于吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷,属于一类对气体敏感的半导体材料。它是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的,对许多气体反应十分灵敏,可应用于气敏检测仪等装置进行自动报警。

对气敏陶瓷的研究始于科学家发现Cu2O的电导管随水蒸气吸附而改变的现象。日美等国首先对SnO2、ZnO半导体陶瓷气敏元件进行实用性研究,*先在薄膜气敏材料方面取得了突破。

随着薄膜生产技术的革新,以及现代社会对易燃、易爆、有毒气体的检测、控制提出了越来越高的要求,出现了烧结型、厚膜型和薄膜型三种气敏陶瓷类型。

典型的气敏陶瓷种类

气敏陶瓷的种类很多,基本上都是金属氧化物。下面就几种常见的半导体气敏陶瓷和固体电解质气敏陶瓷作简要介绍:

(1) SnO2系气敏陶瓷

是*常见的气敏材料之一,它是以SnO2为基本材料,加入催化剂、粘结剂等,按照常规的陶瓷工艺方法制成的。用SnO2气敏陶瓷做成的气敏元件具有以下优点:

①灵敏度高且出现*高灵敏度的温度Tm较低。

②元件阻值变化与气体浓度呈指数关系,在低浓度范围内,这种变化十分明显,因此对微量低浓度气体检测**适宜。

③物理化学稳定性好,耐腐蚀,寿命长。

④对气体的检测是可逆的,而且吸附、解吸时间短。

⑤元件结构简单,成本低,可靠性高,耐振动和冲击性能好。

⑥气体检测不需复杂设备,待检测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化成信号,且阻值变化大,可用简单电路实现测量。

SnO2对许多可燃性气体如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮或芳香族气体都有相当高的灵敏度,因而SnO2气敏元件对不同气体的选择性较差。

(2) ZnO系气敏陶瓷

ZnO系气敏陶瓷元件*突出的优点是气体选择性强,与SnO2元件一样,都用贵金属催化剂提高其灵敏度,但ZnO气敏元件的结构与SnO2元件不同,它是把元件制成双层,将半导体气敏材料与催化物分离,并借更换催化剂的方法来提高元件的气体选择特性。

ZnO气敏陶瓷元件虽然工作温度高,但由于其对气体的选择性较好,还是受到广泛的重视。为了提高ZnO气敏元件的灵敏度,除更换催化剂层的方法外,还可在ZnO母体中加入适量的催化剂。研究表明,ZnO气敏元件对各种气体的灵敏度与催化剂的种类有关,这说明可以通过改变催化剂层或掺杂来获得对不同气体的选择性的可能性。

加Ag的ZnO气敏元件对乙醇、苯和煤气也比较灵敏,且成本低。

另外,向ZnO中加入Cr2O3,可使ZnO气敏元件达到初始稳定状态所需时间和恢复时间缩短,且初始加热通电后的电阻值下降较少,提高了可靠性和长时间稳定性。

(3) Fe2O3系气敏陶瓷

Fe2O3气敏元件是体控型气敏元件,主要有两种晶型,即γ-Fe2O3和α-Fe2O3。

Fe2O3系气敏陶瓷*大的特点是不用贵金属作催化剂,也可以得到较高的灵敏度,在高温下热稳定性好。

γ-Fe2O3气敏元件于1978年研制成功,适合的工作温度约为400~420℃。其对丙烷很灵敏,但对甲烷不灵敏。

α-Fe2O3气敏元件于1981年研制成功,α-Fe2O3化学稳定性很高,所以基于其本身来说对于一般气体是不敏感的,但是利用特殊工艺可制成晶粒尺寸小到0.05~0.2μm,而且气孔率高达65%的多孔α-Fe2O3烧结体,由此可获得高灵敏度和快速的响应特性。α-Fe2O3气敏元件对甲烷乃至异丁烷都**灵敏,对水蒸气和乙醇等却不灵敏,可作为可燃气体报警器特别适用,不会因为水蒸气及酒精的影响而误报。

(4) ZrO2系氧气敏感陶瓷

ZrO2系氧气敏感陶瓷是一种称作固体电解陶瓷的快离子导体。其中含有大量氧离子晶格空位,因此造成氧离子导电。当ZrO2固体电解质两侧氧气的分压不同时,在电解质两侧的透氧Pt电极与ZrO2固体电解质之间,构成了氧气浓差电池。

目前,ZrO2系氧气敏感陶瓷已被应用在以下几个方面:如用于汽车氧传感器,以输出信号来调节空燃比为某固定值,起到净化排气和节能的作用;用于熔铜(钢)液中氧含量快速分析、工业废水污浊程度测量、氢-氧燃料电池等。

(5) 其他气敏陶瓷

①复合氧化物系

这是一类钙钛矿型的稀土族过渡金属氧化物,主要特点是对乙醇有很高的灵敏度。

②氧化钒系

在对V2O5中掺Ag的Ag0.04V2O5对NO2的灵敏度很高,而对H2、CO、NH3、SO2、异丁烷等气体几乎没有反应,因而对检测氧化氮一类气体来说是一种选择性很好的气敏材料。

③氧化镍、氧化钴系

这是一类ρ型半导体,在氧分压增加时,电导率下降。用它来测量氧气分压的变化比使用 n 型半导体SnO2、ZnO等材料更为有利。为了迅速达到热平衡,工作温度在1000℃以上,适合在诸如控制汽车发动机空燃比等场合下使用。

气敏陶瓷制作的电子鼻

如今的气敏陶瓷可分辨氢气、一氧化碳、氟利昂、苯等约100多种气体。当空气中占十万分之一到百万分之一的浓度,就可被它侦查出来。因此,用气敏陶瓷制作的电子鼻,应用就十分广泛。

①可用在气体检测方面。例如煤气管道是否漏气、化工厂易燃易爆、有毒气体是否漏气等。

②可用作宾馆、饭店的火警报警器。原理是着火后都会产生二氧化碳,其浓度超过正常值范围内就会触发报警器,发出铃声或用自动电话通知服务台及时灭火。

③还能参与禁毒行动。已有研究人员发明出一种可以检查海洛因、鸦片、大麻等毒品的电子鼻,这种产品的灵敏度很高,能像雷达监测器一般判定包裹是否存在毒品。

展望

气敏陶瓷的研究还在深入,正朝着多功能(如热敏、气敏和湿敏)、集成化方向发展,它是在同一块 IC 基片子上集成多种超微粒子气敏材料。

除了上述发展外,主要在于提高选择性、稳定性、可靠性、生产均一性以及定温检测能力;在基础理论研究方面,着重于表面态、表面物理化学反应、催化理论等研究。此外,应开展新材料的探索、改革传统工艺方面的工作。

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