书城科普读物神奇的新材料(海洋与科技探索之旅)
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第59章 气敏陶瓷

气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材料,陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器)具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点。

气敏陶瓷接触被测气体后,其电阻将发生变化,电阻变化量越大,其灵敏度就越高,可检测的气体浓度的下限就越低。气敏半导体陶瓷元件具有选择性,在众多的气体中,只对某一种气体表现出很高的灵敏度,而对其他气体的灵敏度甚低或者不灵敏。环境条件如环境温度与湿度等会严重影响气敏元件的性能,因此,要求气敏元件的性能随环境条件的变化越小越好。气敏元件的响应时间和恢复时间越少越好,这样接触被测气体时能立即给出信号,脱离气体时又能立即复原。气敏元件的加热电压和电流越小,功耗越小,这样有利于小型化,使用方便。

系气敏陶瓷是最常用的气敏半导体陶瓷,是以SnO2为基材,加入催化剂、黏结剂等。SnO2系气敏元件灵敏度高,出现最高灵敏度的温度较低,约在300℃;适于对低浓度气体的检测;物理化学稳定性好,成本低。已广泛应用于家用石油液化气的漏气报警、生产用探测报警器和自动排风扇等。已进入实用的SnO2系气敏元件对于可感性气体,例如H2、CO、甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族气体等,具有同样程度的灵敏度,因而SnO2气敏元件对不同气体的选择性就较差。

系气敏半导体陶瓷最突出的优点是气体选择性强,一般加入适量的贵金属催化剂来提高陶瓷元件的灵敏度。ZnO气敏元件对异丁烷、丙烷、乙烷等碳氢化合物有较高灵敏度,碳氢化合物中碳元素数目越大,灵敏度越高。掺Pd的氧化锌气敏陶瓷元件对CO灵敏度较高,对碳氢化合物灵敏度较差。掺Ag的氧化锌气敏陶瓷元件对乙醇、苯和煤气较灵敏。加入Cr2O5可使氧化锌气敏陶瓷元件达到初始稳定状态所需的时间和恢复时间缩短,提高可靠性和长时间稳定性。氧化锌气敏陶瓷元件的结构与二氧化锡的不同,可以把它做成双层,将半导体元件与催化物分离,这样可以更换催化剂来提高元件的气体选择性,其缺点是元件的使用工作温度较高。

α-Fe2O3和γ-Fe2O3均被发现具有气敏特性。从热稳定性来看α-Fe2O3较优,但从灵敏度而言则比γ-Fe2O3差。Fe2O3系气敏陶瓷最大的特点是不用贵金属做催化剂也能得到较高的催化性,高温下热稳定性好。γ-Fe2O3对丙烷气体较灵敏,但对甲烷就不灵敏。α-Fe2O3对甲烷乃至异丁烷都非常灵敏,用做家庭可燃气体报警器非常合适,因它对水蒸汽和乙醇等不灵敏,故不会因水蒸汽及酒精的存在而误报。