一种湿敏陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种湿敏陶瓷及其制备方法，所述湿敏陶瓷基体表面具有有机硅烷修饰层，其表面的接触角为85～95°。本发明专利技术利用有机硅烷对湿敏陶瓷表面进行修饰，改变雾滴沉积在陶瓷表面时的接触角，减小雾滴在湿敏陶瓷表面的扩散系数。本发明专利技术还公开了一种利用上述湿敏陶瓷制得的雾滴沉积传感器以及雾滴沉积传感器在无人机喷药雾滴沉积特性检测中的应用。本发明专利技术的雾滴沉积传感器能够较准确地检测到雾滴平均粒径、雾滴密度、雾滴覆盖率和分布均匀度等信息；同时检测电阻反映相对湿度变化，进而得到喷药指定区域的雾滴沉积量对比情况。

【技术实现步骤摘要】
一种湿敏陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术涉及农用航空喷药检测与现代植保研究领域，具体涉及一种湿敏陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，全国每年防治病虫使用农药30多万吨、制剂100余万吨。农村大多数使用的简易小型喷雾器使能够打到靶标作物上的农药利用率大体上为30％～35％，其他70％～80％农药飘失或流失到非靶标作物、土壤或水域中。造成资源极大浪费的同时，也污染了农田周围的土壤和水质，对环境造成了极大的破坏。航空施药不仅对突发性、大面积的病虫害具有实时、快速处理的优势，在复杂农林地形，如崎岖山林、遍布高大或排布紧密植株的农林环境里，也可以借助GPS导航来规划作业路线实现药物的准确喷施，具备极好的作业环境适应能力。无人机在飞行过程中，可控制定点悬停，灵活性强且成本较低。高浓度、高效、低空、低量的无人机施药技术已成为我国农业植保领域有力的新生力量，不仅得到了广泛关注，在国家农业政策支持下，得到越来越多的发展。国内无人机喷药作业时，农药沉积检测手段成本较高，检测结果不够直接明了。因此，关于雾滴沉降规律和沉积效果的直观有效检测是无人机高浓度防漂移农药喷洒的关键技术之一。针对喷雾雾滴沉降速度的检测，有人利用相位多普勒粒子分析仪“PDPA”，在封闭模拟气候室内进行。利用接收到的运动粒子的散射光的多普勒频移获得粒子的速度信息，利用不同探测器接收到的散射光的相位变化求得粒子的粒径信息。PDPA检测过程中，由于一次性通过激光光束的可能不止一个液滴；并且除了液滴散射光，可能也会有其他光，比如反射光进入光接收系统；而且测量得到的多普勒频率具有一个宽度，即多普勒频率谱线加宽，这些都是造成“PDPA”测量误差的原因。无人机在农田飞行环境复杂，分析仪体积较大，不适宜现实应用推广。针对雾滴沉积效果的检测，国内外普遍使用水敏纸作为药液沉积检测材料。具体操作方法是将水敏纸固定在靶标表面，喷施农药，当农药雾滴沉积到水敏纸上以后会留下印迹，通过图像处理的方法得到液滴覆盖率、液滴粒径大小、液滴沉积密度、变异系数等参数。但是由于现有的航空喷药检测卡即水敏纸的扩散系数为30％左右，液滴在水敏纸上易扩散，造成测试结果不够准确，而且也不能得到特定区域药液的沉积量。公告号为CN204594846U的专利文献公开了一种可实现对覆盖雾滴量实时测量的雾滴沉积传感器，包括：极板电容器、多路切换开关、电容频率转换电路、频率电压转换电路、模数转换电路及控制单元，极板电容器包括衬底，衬底上设有覆铜线路组，覆铜线路组包括多个间隔排列的第一铜线和第二铜线，所有的第一铜线的左端共同连接第一集线点，每个第二铜线的右端分别对应连接第二集线点，相邻的第一铜线和第二铜线之间的线路间距为0.1mm。该技术利用雾滴滴落到极板电容器上会引起极板电容器电容值的变化，通过将电容信号变化转换为可被采集的电压信号或电流信号，从而实现对电容器上覆盖雾滴量的测量。该雾滴沉积传感器虽然能较准确反应雾滴沉积量，但是无法给出雾滴粒径分布等方面的技术参数。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种湿敏陶瓷作为雾滴沉积特性检测材料，通过对湿敏陶瓷的表面进行修饰，改变雾滴沉积在湿敏陶瓷表面时的接触角，减小雾滴在湿敏陶瓷表面的扩散系数，从而提高检测的准确性。一种湿敏陶瓷，包括湿敏陶瓷基体，其特征在于，所述湿敏陶瓷基体表面具有有机硅烷修饰层，其表面的接触角为85～95°。本专利技术利用有机硅烷对湿敏陶瓷基体的多孔表面进行修饰，使其表面的吸湿性变差，减少雾滴在陶瓷表面的扩散，使得后期图像分析得出的例如雾滴平均粒径等数据更准确。研究证明，当湿敏陶瓷表面与雾滴的接触角为85～95°时，能够有效控制雾滴的扩散，提高雾滴粒径测量的准确率，减少雾滴因为扩散而重合造成雾滴密度的计算误差。作为优选，所述有机硅烷为十八烷基硅烷或十六烷基硅烷。本专利技术还提供了上述湿敏陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)对湿敏陶瓷基体进行预处理；(2)利用真空蒸镀在湿敏陶瓷基体表面修饰有机硅烷；(3)重复步骤(2)数次，使表面的接触角保持在85～95°，即得所述的湿敏陶瓷。真空蒸镀具有设备简单、操作容易；成膜速率快、效率高；薄膜生长机理单纯；制得的薄膜纯度高、质量好、厚度可控等优点，因此本专利技术采用真空蒸镀的方法对湿敏陶瓷表面进行修饰。硅烷处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便。作为优选，所述有机硅烷为十八烷基硅烷或是十六烷基硅烷。更为优选的，所述有机硅烷为十八烷基硅烷，十八烷基硅烷不与水发生反应，保证检测材料使用时的稳定性。表面镀层呈白色，当带有着色剂的雾滴沉积在其表面时，显色更鲜明。陶瓷式湿敏材料是一类电阻随环境湿度变化的功能性陶瓷，具有测湿范围宽、响应时间短、工作温度高的特点，常用的湿敏陶瓷有MgCr2O4-TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO-Li2O-V2O5系、ZrCr2O4系和ZrO2-MgO系。作为优选，所述湿敏陶瓷为MgCr2O4-TiO2系列。这种材料的表面电阻值能在很宽的范围内随湿度的增加而变小，性能较稳定。由于真空蒸镀产生的镀膜非常薄，基体的表面状态严重影响基体上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。为了保证有机硅烷的均匀沉积，在表面修饰之前，需对湿敏陶瓷基体进行清洁处理。作为优选，步骤(1)中，所述预处理包括清洗、除静电和离子轰击。离子轰击的条件：真空度一般在10Pa～10-1Pa，离子轰击电压200V～1kV负高压，离子轰击时间为5min～30min。作为优选，步骤(2)中，所述真空蒸镀的条件为：真空度为2×10-3～2×10-4Pa，蒸发温度为500～600K，沉积时间：50～120min。作为优选，有机硅烷表面修饰的分子层数为3～6层。本专利技术还提供了一种雾滴沉积传感器，包括上述的湿敏陶瓷。湿敏陶瓷作为敏感元件，直接感受陶瓷内部的湿度变化。本专利技术的敏感元件制成薄片，在薄片上烧敷电极，导出引线连接转换元件，转换元件将敏感元件感受的湿度变化转化成可输出的电阻信号，即为本专利技术的雾滴沉积传感器。本专利技术的技术目的除了检测湿敏陶瓷内的相对湿度变化，还要通过分析湿敏陶瓷表面沉积的雾滴痕迹分析喷药雾滴的平均粒径、雾滴分布均匀度、雾滴密度等技术参数，因此本专利技术的雾滴沉积传感器的敏感元件需要制备成近似或小于现有喷药检测卡的尺寸。以制备MgCr2O4-TiO2系湿敏传感器为例，按照传统陶瓷工艺制备MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷，采用真空蒸镀工艺，对MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷表面修饰，制得接触角为85～95°的敏感元件，在敏感元件表面烧敷RuO2(二氧化钌)制成多孔性电极。为了不影响在湿敏陶瓷表面进行雾滴参数的分析，在雾滴检测面的对应面设置RuO2电极，分别覆盖于敏感元件同一表面的两端。从电极导出引线连接测量电路，以测得的电阻值变化表征湿敏陶瓷对雾滴的吸收量。本专利技术还提供了上述雾滴沉积传感器在无人机喷药雾滴沉积特性检测中的应用。将本专利技术的雾滴沉积传感器代替传统的航空喷药检测卡设置在雾滴采集带上，无人机喷施药液之后，雾滴沉积在湿敏陶瓷检测面上，多孔基体层吸收液滴，在药液中溶解的染料在湿敏陶瓷表面留下雾滴沉积痕迹，由相机拍下图像进行分析，可分析得出雾滴信息；同时分析电阻变化值衡量渗入湿敏陶瓷内的药液量。本专利技术具备的有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿敏陶瓷，包括湿敏陶瓷基体，其特征在于，所述湿敏陶瓷基体表面具有有机硅烷修饰层，其表面的接触角为85～95°。

【技术特征摘要】
1.一种湿敏陶瓷，包括湿敏陶瓷基体，其特征在于，所述湿敏陶瓷基体表面具有有机硅烷修饰层，其表面的接触角为85～95°；所述有机硅烷为十八烷基硅烷或十六烷基硅烷；所述湿敏陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)对湿敏陶瓷基体进行预处理；(2)利用真空蒸镀在湿敏陶瓷基体表面修饰有机硅烷；(3)重复步骤(2)数次，使表面的接触角保持在85～95°，即得所述的湿敏陶瓷。2.如权利要求1所述的湿敏陶瓷，其特征在于，所述湿敏陶瓷基体为MgCr2O4-TiO2系列。3.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何勇，周莉萍，方慧，张艳超，冯雷，赵艳茹，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33