KNN-介孔BLT鈣鈦礦材料濕敏元件的特性分析.pdf

1、濕度傳感器作為濕度信息的采集單元，已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、倉庫存儲、工業(yè)生產(chǎn)、氣象等方面得到廣泛應用，是傳感器大家族中的一個非常重要的成員。因此科研工作者對濕度傳感器投入了非常多的注意力。本文采用金屬有機物分解法(Metal-Organic-Decomposition, MOD)、納米澆鑄法、靜電紡絲法，制備了鈮酸鈉鉀(KNN)粉末、鈦酸鉍鑭(BLT)粉末、介孔BLT粉末以及介孔BLT納米棒材料，并通過制作濕度傳感器，對其相應的濕度敏

2、感性能進行研究，并分析了其相關的濕度敏感機制。主要內容和結果包括以下三個部分。
　　1.通過MOD法結合煅燒技術制備了K0.5Na0.5NbO3(KNN)粉末材料，并通過X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子衍射能譜儀(EDS)對KNN材料進行了表征分析。運用智能濕敏分析系統(tǒng)測試研究了KNN粉末的濕敏性能。通過對復阻抗圖譜的分析，研究了KNN粉末的濕度敏感機制。研究表明：(a)制備出的KNN粉末具有形貌為立方體的鈣

3、鈦礦晶體結構。(b)60和100 Hz工作頻率下，11％-95%RH的全濕范圍內，KNN濕度傳感器的阻抗變化超過了四個數(shù)量級，且具有良好的線性度。(c)60和100 Hz工作頻率下，KNN濕度傳感器的響應時間和恢復時間都分別為8 s和18 s，最大濕滯大約為2%RH。(d)通過對復阻抗圖譜的分析，結合電子傳導和離子傳導理論，研究了KNN粉末的濕敏機制，并發(fā)現(xiàn)在水中具有高溶解度的堿金屬K+和Na+和其優(yōu)良的電子傳導特性是提高材料濕敏性能的

4、主要原因。
　　2.通過MOD法加上煅燒技術制備了Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)粉末材料，在此基礎上運用納米澆鑄法構建出具有介孔結構的BLT粉末材料。利用XRD、SEM和透射電子顯微鏡(TEM)對BLT和介孔BLT粉末的表面形貌和晶體結構進行了表征，并制作出濕度傳感器。利用智能濕敏性能測試系統(tǒng)結合濕度發(fā)生裝置研究了不同相對濕度下BLT和介孔BLT粉末的濕敏特性。測試分析了介孔BLT粉末的復阻抗圖譜，進一步探討了介孔

5、BLT濕度傳感器的濕敏特性機理。研究表明：(a)通過納米澆鑄法制備的介孔BLT粉末具有具有疏松的微觀結構。且介孔BLT粉末的比表面積(10.8 m2/g)明顯高于BLT粉末的比表面積(0.4 m2/g)。(b)100 Hz工作頻率下，BLT和介孔BLT濕度傳感器在全濕范圍(11%-95%RH)的阻抗值變化量都達到最大，且介孔BLT的阻抗變化數(shù)量級達到6個數(shù)量級，遠遠大于BLT阻抗值的變化量(僅為1個數(shù)量級)，說明介孔BLT具有良好的傳感

6、特性。(c)100 Hz時介孔BLT粉末的響應恢復時間分別為32 s和68 s，最大濕滯約為12%RH。(d)通過以上對比，對于同種材料，介孔結構的加入能極大的提高材料的比表面積，從而使材料的濕敏性能得到提高。探索了材料的特殊形貌與材料濕敏性能之間的關聯(lián)。最后，定性地解釋了介孔BLT粉末的濕度敏感機制。
　　3.采用靜電紡絲法結合納米澆鑄法制備了介孔BLT納米棒材料，然后通過XRD、SEM、TEM和EDS分別對介孔BLT納米棒進行

7、了表征。研究了不同相對濕度氛圍下介孔BLT納米棒的濕敏性能。另外，結合復阻抗圖譜及材料表面形貌探討了介孔BLT納米棒的濕敏特性機理。研究表明：(a)介孔BLT納米棒為鈣鈦礦晶體結構，且具有介孔結構，其微觀形貌為棒狀。(b)介孔BLT納米棒的最佳工作頻率為100 Hz，且其濕度傳感器的阻抗在全濕范圍內變化量約為六個數(shù)量級。(c)100 Hz下，介孔BLT納米棒濕度傳感器的響應時間和恢復時間分別為8s和250 s，最大濕滯為4%RH。(d)