一种珠球状热导式气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种珠球状热导式气体传感器，包括：电阻丝、涂覆在电阻丝上的绝缘层、涂覆在绝缘层上并与绝缘层同时烧结的复合材料、与电阻丝焊接连接的底座、与底座配合连接的透气性良好的金属防护罩。电阻丝呈空心椭球形状，并留有两端的直线段；绝缘层材料为

A Ball-like Thermal Conductivity Gas Sensor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种珠球状热导式气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体检测
，涉及一种珠球状热导式气体传感器及其制备方法，特别涉及一种基于碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料的椭球型电阻丝的珠球状热导式气体传感器及其制备方法。
技术介绍
热导式气体传感器利用不同种类的不同浓度气体导热率不同的特性进行检测。在医药、食品、烟草、煤炭、石油等行业中，监测各种挥发性有机化合物、检测有害气体的浓度方面热导式传感器有着广泛的应用。特别是，热导式气体传感器在检测易燃易爆气体方面较燃烧式气体传感器等其他类型气体传感器，更加安全可靠，具有不可替代的作用。珠球状热导式气体传感器是热导式气体传感器的主要类型。传感器敏感材料的选配和电阻丝的形状是提高气体传感器性能的关键因素。珠球状热导式传感器的敏感元件多采用在圆柱形电阻丝上包覆成珠球状和高温烧结敏感材料的方式制备。在包覆成珠过程中，电阻丝的圆柱形对敏感材料浆料缺少引导作用，造成珠球状敏感元件表面成型质量不高和材料密度分布不均匀；在用圆柱形电阻丝对珠球状敏感材料的高温烧结过程中，由于敏感材料受热的不均匀，使得敏感材料产生不规则团聚，造成内部易产生微裂纹的问题。另外，气体传感器普遍存在热稳定性不足的问题，进一步地提高热稳定性也是研究的热点。石墨烯属于二维碳纳米材料，呈片状结构，具有比表面积高、导热性优异、机械性能好、化学性质稳定等特性，但是易于聚集结块，从而导致其比表面积降低；碳纳米管为一维碳纳米材料，呈多孔管状，掺杂到石墨烯片层中可以避免石墨烯片层的聚集结块；α三氧化二铝具有晶型稳定的独特微量掺杂负载能力和高温下不变形的热稳定性能。申请号201510272072.6专利公开了一种石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法，该专利利用石墨烯与碳纳米管复合的良好导电性实现了室温条件下的气体浓度检测，并且具有较快的响应速度，但其恢复时间较热导式气体传感器的恢复时间长，存在着一定的应用局限。石墨烯/碳纳米管/金属氧化物三元复合材料制备电阻型气体传感器已成为研究的热点。申请号201510951882.4专利公开了一种气体传感器、用于气体传感器的测量元件及其制造方法。该专利技术的传感器包括外壳和测量元件，测量元件由加热螺旋丝和包覆在加热螺旋丝上的包含纤维状材料的珠状体陶瓷，解决了传感器遭受了大的机械负载时载体催化元件珠状体被损坏的问题。该专利中所述加热螺旋丝为圆柱状。哈尔滨工程大学张洪泉研制的微结构甲烷气体传感器的敏感元件呈珠球状，敏感元件内部的电阻丝采用的也是圆柱状。由公开资料检索可见，利用石墨烯/碳纳米管/金属氧化物三元复合材料制备制备高比表面积的气体传感器的敏感材料属于研究热点，但是利用碳纳米管材料作为多孔通路、石墨烯作为高导热性材料和α三氧化二铝作为热稳定性骨架材料进行三元复合作为敏感材料，以及采用椭球型电阻丝制备的热导式气体传感器未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种珠球状热导式气体传感器及其制备方法，利用三元复合材料的高比表面积和热稳定性高的特性、椭球形电阻丝对复合材料的成形引导和均化团聚作用，解决敏感元件存在的表面成型质量不高、材料密度分布不均匀、存在微裂纹、高温稳定性差等问题，使敏感元件具有均匀的温度场和良好的热交换效率，达到缩短响应和恢复时间、提高检测精度和延长使用寿命的目的。本专利技术的技术方案：一种珠球状热导式气体传感器，包括：电阻丝、涂覆在电阻丝上的绝缘层、涂覆在所述绝缘层上并与所述绝缘层同时烧结的复合材料、与电阻丝焊接连接的底座、与底座配合连接的透气性良好的金属防护罩。电阻丝呈空心椭球形状，并留有两端的直线段；绝缘层材料为α三氧化二铝纳米级陶瓷超细粉末；复合材料为碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝的三元复合材料。绝缘层可以使电阻丝与复合材料隔离开，阻止二者间的分流作用。进一步的，所述电阻丝为铂、钯、铑、铱、钌、锇、钨中的一种或几种。进一步的，所述碳纳米管为氧化单壁碳纳米管、氧化双壁碳纳米管或氧化多壁碳纳米管中的一种。进一步的，所述石墨烯为石墨烯量子点、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或多孔石墨烯中的一种。进一步的，所述电阻丝的线圈之间保留间距。进一步的，所述热导式气体传感器可以检测He、CO2、H2、CH4气体中的一种或者多种混合。本专利技术还公开了一种珠球状热导式气体传感器的制备方法，包括以下步骤：1)用绕线机缠绕形成椭球型电阻丝；2)制备三元复合敏感材料浆料；3)电阻丝焊接在底座；4)在电阻丝上涂覆浆料；5)进行通电高温烧结成型；6)在底座上配合安装防护罩。进一步的，步骤2所述制备，包括以下步骤：a)采用化学沉淀法制备α三氧化二铝纳米级陶瓷超细粉末材料；b)配制α三氧化二铝三元浆料，其过程如下：将步骤(a)制备的α三氧化二铝材料与甘油按重量比1:0.1～2混合，超声分散使其混合充分，制得α三氧化二铝浆料；c)配制碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料，其过程如下：将α三氧化二铝、碳纳米管、石墨烯按体积比1:4～5:4～5混合，将混合物按体积比1:100～300加入二甲苯溶液中，搅拌使其分散均匀，制得碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、水洗和烘干，获得碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料。d)配制碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料浆料，其过程如下：将步骤(c)制备的碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料与甘油按重量比1:0.1～2混合，超声分散使其混合充分，制得碳纳米管/石墨烯/α三氧化二铝三元复合材料浆料。进一步的，步骤4所述涂覆，包括以下步骤：a)在所述电阻丝上涂覆一层制备的所述α三氧化二铝浆料；b)在α三氧化二铝浆料层外及电阻丝椭球内腔中涂覆制备的所述三元复合材料浆料。进一步的，步骤5所述高温烧结成型采用以下过程实现：在高纯氮气保护下，对所述半成品加载直流电压，通以160mA的烧结电流，温度控制在600℃左右，保持通电60min。本专利技术的有益效果：1)碳纳米管是一维多孔碳纳米材料，在热导式气体传感器与气体接触时作为气体交换的通路；石墨烯为二维碳纳米材料，具有良好的导热性能；α三氧化二铝具有晶型稳定的独特微量掺杂负载能力和高温下不变形的物理物理性能，作为敏感材料的骨架。本专利技术将以上三者结合作为珠球状热导式气体传感器的敏感材料，使得敏感材料具有较高的比表面积和热稳定性，可极大地提高传感器的热交换效率和温度适应性。2)采用椭球形状的电阻丝，可有效地改善珠球状敏感元件的表面成型质量和材料密度分布的均匀程度，减小敏感材料在高温烧结时的受热不均匀程度，降低内部产生的微裂纹，同时，使气体传感器在工作时能形成均匀温度场，提高气体传感器的可靠性和使用寿命。3)石墨烯本身为黑色，碳纳米管与石墨烯复合，可省略以往敏感材料制备的黑化步骤，增强了热能量利用效率,提高了散热效率。本专利技术充分利用三元复合材料的高比表面积和热稳定性高的特性、椭球形电阻丝对复合材料的成形引导和均化团聚作用，使敏感元件具有均匀的温度场和良好的热交换效率，达到缩短响应时间、提高检测精度和延长使用寿命的目的。附图说明本专利技术上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1所示为本专利技术一种珠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种珠球状热导式气体传感器，包括：电阻丝、涂覆在电阻丝上的绝缘层、涂覆在所述绝缘层上并与所述绝缘层同时烧结的复合材料、与电阻丝焊接连接的底座、与底座配合连接的透气性良好的金属防护罩；电阻丝呈空心椭球形状，并留有两端的直线段；绝缘层材料为

【技术特征摘要】
1.一种珠球状热导式气体传感器，包括：电阻丝、涂覆在电阻丝上的绝缘层、涂覆在所述绝缘层上并与所述绝缘层同时烧结的复合材料、与电阻丝焊接连接的底座、与底座配合连接的透气性良好的金属防护罩；电阻丝呈空心椭球形状，并留有两端的直线段；绝缘层材料为三氧化二铝纳米级陶瓷超细粉末、复合材料为碳纳米管/石墨烯/三氧化二铝的三元复合材料；绝缘层可以使电阻丝与复合材料隔离开，阻止二者间的分流作用。2.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器，其特征在于，所述电阻丝为铂、钯、铑、铱、钌、锇、钨中的一种或几种。3.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器，其特征在于，所述碳纳米管为氧化单壁碳纳米管、氧化双壁碳纳米管或氧化多壁碳纳米管中的一种。4.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器，其特征在于，所述石墨烯为石墨烯量子点、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或多孔石墨烯中的一种。5.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器，其特征在于，所述电阻丝的线圈之间保留间距。6.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器，其特征在于，所述热导式气体传感器可以检测He、CO2、H2、CH4气体中的一种或者多种混合。7.如权利要求1所述的珠球状热导式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）用绕线机缠绕形成椭球型电阻丝；2）制备三元复合敏感材料浆料；3）电阻丝焊接在底座；4）在电阻丝上涂覆浆料；5）进行通电高温烧结成型；6）在底座上配合安装防护罩。8.如权利要求7所述的珠球...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永国，李栋辉，于广滨，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23