本文選題：氫氣傳感器 + 微納纖維　； 參考：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：中國是近年來新能源和可再生能源增長速度最快的國家,其中,氫能源占全部可再生能源的12.1%(2004),因其高產(chǎn)能無污染的特性這一比重在繼續(xù)擴(kuò)大,但氫氣的危險性決定必須對其合理有效的檢測。因此,低碳制造和氫能源新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都急需靈敏度高、安全性好的氣體檢測技術(shù)的出現(xiàn)。從這兩方面考慮,開展高靈敏度、高穩(wěn)定性的氣敏傳感技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)搖共性技術(shù)研究對低碳制造及氫能源新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,乃至十二五規(guī)劃中的節(jié)能減排這一戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都具有重要意義。因此,本課題以氫氣傳感器為研究對象,設(shè)計(jì)了適用于低濃度氫氣檢測的傳感器,相關(guān)傳感器均基于微納纖維結(jié)構(gòu)基底與鈀敏感層,以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定而又低成本的氫氣檢測。本論文首先對鈀吸收氫氣的基本原理與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析,并提出了(基于體積變化的)鈀基氫氣傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題,為后續(xù)傳感器設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ);然后我們設(shè)計(jì)了一種基于鈀與聚合物微納纖維的氫氣傳感器,提出一種利用微小體積變化實(shí)現(xiàn)靈敏測量的高敏感裂隙結(jié)構(gòu),建立裂隙閉合定性模型,并設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)而可靠的敏感結(jié)構(gòu)制備工藝,在展示該傳感器高靈敏快速特性的同時,最后提出了該傳感器在穩(wěn)定性上的不足;接下來我們就提出的穩(wěn)定性不足問題,對傳感器原理結(jié)構(gòu)與封裝工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,就單次氫氣泄漏檢測這一限定應(yīng)用方向,提出一種可靠而具有低濃度檢測閾的氫氣泄漏傳感器設(shè)計(jì)方法,并通過理論與實(shí)驗(yàn)兩個方面對該傳感器的長期穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證;最后我們就低濃度下廣域氫氣濃度值的連續(xù)穩(wěn)定多次測量這一問題,設(shè)計(jì)了一種利用完整鈀層結(jié)構(gòu)吸收氫氣電阻變化而實(shí)現(xiàn)的氫氣濃度傳感器,同時面對完整鈀層結(jié)構(gòu)氫氣脫附速度較慢的問題,提出了一種金屬芯壓電纖維的制備方法與基于該基底的振動加速脫附方法,并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法可以有效提升傳感器恢復(fù)速度以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的氫氣濃度測量。本論文主要研究工作包括:1)基于微小體積變化的高靈敏氫氣傳感結(jié)構(gòu)研究基于鈀吸收氫氣發(fā)生微小體積變化的原理,設(shè)計(jì)利用微小裂隙閉合實(shí)現(xiàn)電阻值劇烈變化的高靈敏氫氣傳感結(jié)構(gòu),建立裂隙閉合過程的定性模型,提出基于拉伸輔助氫致斷裂技術(shù)的微小裂隙制備與調(diào)整工藝,研究微小裂隙生成原理,實(shí)現(xiàn)基于微小體積變化的高靈敏氫氣檢測。2)基于聚合物微納纖維的氫氣泄漏傳感器研究結(jié)合特定的聚合物材料,設(shè)計(jì)高效經(jīng)濟(jì)的聚合物微納纖維有向陣列制備裝置,實(shí)現(xiàn)具有重復(fù)性的聚合物纖維有向陣列靜電紡絲制備;利用可控磁控濺射工藝,實(shí)現(xiàn)納米級氫敏感鈀層的修飾;通過考慮測試中氣體流動干擾,設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可靠的氫氣傳感器封裝方法;設(shè)計(jì)搭建氣體傳感器測試平臺,驗(yàn)證傳感器傳感與穩(wěn)定性能,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的氫氣泄漏傳感器設(shè)計(jì)。3)金屬芯壓電纖維振動基底制備工藝研究基于 PVDF(poly(vinylidene fluoride))與 PVDF-TrFE(poly(vinylidene-trifluoroethylene))聚合物壓電材料,提出一種電浸潤輔助拉絲方法,設(shè)計(jì)基于電浸潤輔助拉絲方法的金屬芯壓電纖維制備工藝,搭建金屬芯壓電纖維制備裝置,實(shí)現(xiàn)金屬芯壓電纖維的制備;通過XRD及SEM等材料分析方法,研究金屬芯壓電纖維敏感層表征特性,提出具有高壓電特性的Beta相PVDF生成原理;搭建壓電性能測試平臺,驗(yàn)證金屬芯壓電纖維的壓電性能,實(shí)現(xiàn)金屬芯壓電纖維振動基底的制備。4)基于金屬芯壓電纖維基底的振動加速脫附研究以金屬芯壓電纖維為基底,鈀納米層為敏感層,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種利用鈀吸收氫氣發(fā)生電阻變化的氫氣傳感器;利用金屬芯壓電纖維的逆向壓電效應(yīng),施加交流信號研究振動頻率與振動幅值與鈀敏感層脫附速度的關(guān)系,證明通過施加振動實(shí)現(xiàn)加速脫附的有效性;測試傳感器性能,闡述了振動加速脫附在實(shí)現(xiàn)快速氫氣檢測中的重要作用。
[Abstract]:This paper presents a new hydrogen sensor based on palladium and polymer micro - nano fiber , which is based on micro - nano - fiber structure substrate and palladium - sensitive layer . Based on PVDF ( poly ( vinylidene fluoride )) and PVDF - TrFE ( poly ( vinylidene fluoride ) polymer piezoelectric material , a method for preparing metal core piezoelectric fiber was designed .
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1904406