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BaTiO_3纳米纤维湿度传感性能的研究

贺媛  
【摘要】:湿度是表示大气干燥程度的物理量。湿度传感器是化学传感器大家族中应用较为广泛的一类传感器。湿度传感器的工作原理是:利用湿度敏感材料直接吸附大气中的水分子,使材料的电学特性等发生变化,从而检测出湿度的变化。近年来,随着科技的快速发展以及人们生活水平的逐步提高对高性能湿度传感器的需求越来越迫切。纳米材料由于其具有的特殊结构使得它拥有许多不同于传统材料的特性,如大的比表面积、量子尺寸效应、界面效应和量子隧道效应等。因此,纳米材料的制备与应用研究已经成为国际国内众多研究者所关注的热点。而纳米复合金属氧化物由于可以在结构和尺度上对其进行设计,且还可以通过控制化学组成来改善其性能,因此,纳米复合金属氧化物将在湿度传感领域显示出其超常规的优良特性。 本论文以传统钙钛矿型纳米复合金属氧化物BaTiO3为敏感材料,研究了基于此材料的电阻型湿度传感器。利用先进的静电纺丝技术在结构和尺度上对材料进行调控,得到了具有超快速响应恢复特性的、大长径比的纳米纤维。通过控制化学组成的方法对材料的湿滞特性进行了改善。取得了许多创新性的成果,首次结合复阻抗与介质损耗分析方法对材料的敏感机理进行了分析。本论文所取得的创新性结果如下: 1.以溶胶-凝胶与静电纺丝相结合的方法制备出具有钙钛矿结构的、无序BaTiO3一维纳米纤维。通过调节静电纺丝过程的参数,以达到控制一维纳米纤维直径的目的。结果表明,在固定其他纺丝条件不变的情况下,在20 kV电压的条件下制备的纳米纤维具有较细的直径。 2.制备了系列基于不同直径BaTiO3纳米纤维的电阻型湿度传感器。首次获得了基于—维纳米BaTiO3材料的具有超快速响应恢复特性的电阻型湿度传感器。当相对湿度从11% RH到95% RH之间变化时,该传感器的响应恢复时间分别在2s和3s以内。首次结合复阻抗谱图和介质损耗分析法对器件超快响应的湿度敏感机理进行了探究。 3.创新性的利用辅助电场诱导的方法对BaTiO3纳米纤维进行了有序排列,并研究了基于有序排列BaTiO3纳米纤维阵列的电阻型湿度传感器的湿敏特性。结果表明,基于BaTiO3纳米纤维阵列的电阻型湿度传感器同样具有超快速的响应恢复特性。 4.利用置换改性的方法,将Sr元素引入到BaTiO3纳米纤维中,通过调控材料的摩尔比得到具有不同x值的BaxSr1-xTi03纳米纤维固溶体材料。湿敏特性测试结果表明,Ba0.8Sr0.2TiO3纳米纤维材料对环境湿度的改变最为敏感。基于该材料的电阻型湿度传感器在11%~95% RH的范围内复阻抗变化达到了3个数量级。该器件的湿滞非常小,在1% RH以内。以上的结果证明了Sr元素的引入不仅提高了BaTiO3纳米纤维对环境湿度的灵敏度,并且有效的改善了BaTiO3纳米纤维的湿滞特性。当相对湿度由11% RH到95% RH之间变化时,该器件的响应恢复时间分别在9s和6s以内。 本论文通过以上几个方面的工作,可以得出将传统的湿度敏感材料低维化时,由于材料形貌的改变使得材料的湿度敏感特性得到了极大的改善。这不但为开发和研究高性能湿度传感器开辟了一条新的途径,也将为—维纳米材料的应用找到一个新的方向。


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