钛酸铋镧系湿敏元件制备与电学性能的研究

来源 :湘潭大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ryan_cheng
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近些年来湿敏元件在环境、农业、工业、以及食品上的应用受到广泛的关注。湿敏材料作为湿敏元件的核心组成部分,对传感器的性能有着很大的影响。因此,很多科研人员致力于开发新的湿敏材料以及改进材料的制备工艺来寻求高性能的湿敏材料。本文通过金属有机分解法和静电纺丝法制备出钛酸铋镧粉末和钛酸铋镧系纳米纤维,并制作成对应的湿敏元件件,分别研究了退火工艺对钛酸铋镧粉末湿敏性能的影响及镧系元素掺杂对钛酸铋纳米纤维的湿敏特性的影响。具体工作内容可以分为以下三个部分:1、采用金属有机分解法制备出Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)前驱液,然后分别在350°C,450°C,550°C,650°C和750°C下退火得到对应的BLT粉末(BLT-350,BLT-450,BLT-550,BLT-650,BLT-750),再制作成对应的湿敏元件。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、X射线能量色散谱分析仪和比表面及孔径分析仪对制备的BLT粉末进行表征,并利用精密阻抗分析仪结合湿度发生装置对所制作的湿敏元件进行性能测试。测试结果如下:(1)所制备的湿敏元件最佳工作频率均为100Hz。(2)退火工艺对BLT的湿敏性能有着较大的影响,其中,在550°C退火工艺下,所制成的BLT湿敏元件的阻抗变化范围超过五个数量级且线性度最好,其他的仅一个数量级左右。(3)BLT-550湿敏元件的响应时间为8s,其最大湿滞为3%RH。结果表明,退火工艺对材料湿敏性能具有较大的影响,在550°C退火工艺下BLT具有最佳的湿敏性能,该材料在制作高性能的湿敏元件方面具有潜在的应用价值。2、BLT、Bi3.25Ce0.75Ti3O12(BCT)、Bi3.25Nd0.75Ti3O12(BNT)和Bi3.25Sm0.75Ti3O12(BST)纳米纤维通过静电纺丝法制备成功,进一步制作出对应的湿敏元件。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜以及X射线光电子能谱仪对所制备的材料进行表征,并利用精密阻抗分析仪对所制作的湿敏元件进行性能测试。测试结果如下:(1)所制备的湿敏元件最佳工作频率均为10Hz。(2)不同镧系元素的掺杂对钛酸铋类材料的湿敏性能有较大的影响,其中BST纳米纤维湿敏元件在10Hz下的阻抗变化范围接近6个数量级且线性度比较好,其敏感特性优于其他镧系掺杂钛酸铋湿敏元件。(3)BST纳米纤维湿敏元件的响应时间为4s,其最大湿滞为3%RH。研究表明,BST纳米纤维由于具有较低的Ln-O键能而具有最佳的湿敏特性,BST纳米纤维湿敏元件具有较好的应用前景。3、针对BST纳米纤维湿敏元件,设计出后续的信号处理系统。首先,按照各元器件的连接要求在PROTUS中进行电路搭建并进行仿真。根据仿真结果,进行元器件焊接及电路的连接。之后,开始程序的编写,最终通过液晶显示屏将传感器测量的湿度值进行显示。最后进行数据的校准工作,结果表明,BST湿敏元件由于精度限制而存在误差,误差在5%RH以下,符合国家对湿度计量器具规定的标准。
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