Газоблок теплопроводность характеристики: Теплопроводность газобетона, характеристики теплопроводности газоблока

характеристики, таблица определения коэффициента теплопроводности

Газобетон является одним из важнейших строительных материалов для возведения стен, имеющий уникальные свойства. Высокая степень пористости материала позволяет ему гораздо лучше сохранять тепло, чем привычный пенобетон. Коэффициент наличия пор у материала равен восьмидесяти пяти процентам.

Кроме того, газоблоки совмещают в себе характеристики камня и древесины.

Содержимое

• 1  Теплоизоляционные характеристики газобетона
• 2 Теплопроводность газобетонных блоков
• 3 Связь коэффициента теплопроводности и влажности
• 4 Таблица определения коэффициента теплопроводности газобетонных блоков

 Теплоизоляционные характеристики газобетона

Теплоизоляция газобетона гораздо выше, чем у других материалов для постройки стен. Помещения из газобетона не нагреваются в жаркое время и не промерзают в холодное, сохраняя комфортный климат внутри помещения вне зависимости от погоды.

Сравнение эффективности материалов по параметрам теплопроводности.

Градация материалов по уровню теплоизоляции от большего к меньшему:

1. Пенополистерол.
2. Минеральная вата.
3. Газобетон.
4. Древесина.
5. Керамзитобетон.
6. Кирпич.

Какую толщину должны иметь стены из газобетона читайте в этой статье.

Теплопроводность газобетонных блоков

Важно! Наиболее низкий коэффициент теплопроводности у газобетона марок D500, D600 и D400.

Одной из самых важных характеристик газобетона является коэффициент теплопроводности. Материал очень хорошо хранит температуру за счет наличия внутри полостей, заполненных воздухом. Это позволяет возводить из газоблоков однослойные стены, отвечающие условиям термозащиты.

О недостатках газобетона читайте тут.

Связь коэффициента теплопроводности и влажности

Влагоемкость и сырость материала повышает значение теплопроводности. Для большинства расчетов используется сухой материал, в то время, когда блоки в эксплуатационных условиях постоянно содержит определенный процент влаги. Даже на выходе из производственного цикла газобетон содержит влажность до тридцати процентов. При эксплуатации влажность газобетона колеблется в пределах 6-8%.

Рекомендуем ознакомится с информацией о монтаже перегородок из газобетона и прочитать, чем штукатурят газобетон.

Таблица определения коэффициента теплопроводности газобетонных блоков

Для определения уровня теплового сопротивления материалов, воспользуйтесь специальной таблицей.

Материал	Марка газобетона	Расчетные коэффициенты термопроводности газобетонных блоков с применением растворов.
Пористый бетон на песке из кварца	D 700	0,34-0,40 Вт/м ⋅ гр. C
	D 600	0,26-0,32 Вт/м ⋅ гр. C
	D 500	0,24-0,30 Вт/м ⋅ гр. C
Пористый золобетон	D 700	0,38-0,45 Вт/м ⋅ гр. C
	D 600	0,30-0,37 Вт/м ⋅ гр. C
	D 500	0,27-0,33 Вт/м ⋅ гр. C

Газобетон является отличным материалом для укладки стен, обладающим небольшой способностью передавать теплоту. Таким образом, сооружения из газоблоков отлично сохраняют комфортный температурный режим. Плиты перекрытия из газобетона описаны тут.

https://www.youtube.com/watch?v=plUs3Z6cFy8

от чего зависит коэффициент, как правильно рассчитать и каковы требования к материалу для наружных и внутренних стен

Газобетонные блоки применяют для возведения одно- и многоэтажных зданий. Этот материал пользуется популярностью при строительстве жилых домов, сараев, бань, гаражей и не только.

Существует несколько видов газоблоков. Все они отличаются по ряду показателей, базовым из которых является теплопроводность.

О том, что это за значение, от чего оно зависит и как влияет на выбор строительного материала, читайте в статье.

Содержание

• 1 Что означает понятие?
  • 1.1 От чего зависит этот показатель?
• 2 Какой бывает: сравнительные характеристики
• 3 Требования к газобетонным блокам разной маркировки
  • 3. 1 Для наружных и внутренних стен
  • 3.2 Для ненесущих перегородок
• 4 Как рассчитать необходимую теплопроводимость?
• 5 Последствия неправильного выбора
• 6 Заключение

Что означает понятие?

Коэффициент теплопроводности – это способность газобетона передавать тепловую энергию. То есть, чем выше этот показатель, тем быстрее блоки будут отдавать набранное тепло в окружающую среду.

В результате, помещение выхолаживается с высокой скоростью.

Знать показатели теплопроводности строительного материала важно, так как от этого параметра зависит то, насколько комфортно будет проживать в помещении в холодное время года.

Этот показатель напрямую влияет на сумму, которую владельцы дома из газобетона будут тратить на оплату отопления.

От чего зависит этот показатель?

Показатели теплопроводности газоблоков зависят от пористости материала. Чем больше в блоке пустот, тем быстрее он отдаст накопленное тепло.

Плотность газобетона и его теплопроводность – это взаимосвязанные понятия. Плотность блоков обозначается маркировкой D300 – D1200. Чем меньше цифра, тем выше его теплопроводность.

Также имеется зависимости теплопроводности от влажности окружающей среды и влажности внутри помещения. Она повышается с увеличением влажности воздуха. Поэтому так важно учитывать климатическую зону, в которой будет возведена постройка. Отдельно узнайте о том, что такое влагостойкость газоблока и боится ли влаги данный материал.

Какой бывает: сравнительные характеристики

В зависимости от плотности газобетонного блока и процента влажности, будут отличаться показатели теплопроводности строительного материала. Сравнительная характеристика приведена в таблице, где Т – теплопроводность.

Плотность блоков	Т при 0% влажности	Т при 4% влажности	Т при 5% влажности
D300	0. 072	0.084	0.088
D400	0.096	0.113	0.117
D500	0.112	0.141	0.147
D600	0.141	0.160	0.183

Из таблицы становится понятно, что чем плотнее блоки, тем выше их теплопроводность. Также она возрастает при повышении уровня влажности.

Требования к газобетонным блокам разной маркировки

Выбирая газобетонные блоки для строительства, нужно учитывать, какая именно стена будет из него возводиться. Существуют определенные требования к строительному материалу, используемому для наружных, внутренних, несущих и ненесущих стен.

Для наружных и внутренних стен

Для наружных стен одноэтажных зданий используют газобетон маркировкой не ниже D500. Внутренние не несущие стены могут быть выложены газоблоками с маркировкой D300 и D400.

Также допустимо их использование для теплоизоляции строений, выполненных из другого материала.

Однако в связи с повышенной хрупкостью таких блоков, для возведения несущих стен они не подходят. Требования к теплопроводности газоблоков для разных типов стен:

• D300 и D400 – используют в качестве материала для теплоизоляции наружных стен.
• D500 – D900 – подходит для возведения наружных и несущих внутренних стен.
• D1000 – D1200 – используют для возведения несущих стен в многоэтажных зданиях.

Требования, предъявляемые к газоблокам, зависят от того, какая именно постройка будет из него возведена. Если материал закупается для строительства гаража, неотапливаемого сарая, мастерской или дачи для временного пребывания, то качественная теплоизоляция им не нужна.

Необходимо обращать внимание только на прочность блоков. В этом случае наиболее подходящим считается материал с маркировкой D400 – D500. Он подходит для строительства в большинстве регионов РФ.

Для ненесущих перегородок

Ненесущие перегородки можно возвести из любого газобетона. Однако большинство строителей советуют сделать выбор в пользу блоков с маркировкой D300 и D400. Они имеют достаточную прочность, чтобы выдержать нагрузку, возлагаемую на ненесущие стены, и позволяют сохранять тепло внутри помещения.

Кроме того, стоит такой материал дешевле, чем его плотный аналог. Поэтому такая покупка будет более выгодной с экономической точки зрения и не отразится на качестве постройки. Все основные характеристики перегородочного газоблока и правила его выбора подробно описаны здесь.

Как рассчитать необходимую теплопроводимость?

Стены из газоблоков должны иметь достаточную ширину, чтобы в помещении сохранялось тепло. Если сделать их слишком тонкими, то здание будет выхолаживаться. Чтобы не столкнуться с такой проблемой, необходимо правильно выполнить расчеты. Не допустить ошибку помогают правила СНИП, которые имеются для каждого региона страны. Влажностный режим бывает 3 типов

• Влажный – 1.
• Нормальный – 2.
• Сухой – 3.

Понять, в каком регионе проживает человек, поможет специальная карта:

Чем выше уровень влажности воздуха в регионе проживания, тем толще и плотнее должны быть стены, так как сырость способствует быстрым теплопотерям.

Без учета коэффициента теплопроводности газобетонного блока невозможно правильно определить толщину стены строящегося здания.

T=Rreg x λ, где:

• T – это толщина стены.
• Rreg – необходимое сопротивление по теплопередаче для разных городов РФ.
• λ — это коэффициент теплопроводности для газоблока (зависит от его плотности).

Пользоваться этой формулой очень просто. Практический пример:

Rreg для Москвы – 3,28.
λ для газоблока марки D500, 5% влажности – 0,14.
Итого: Т= 3,28 x 0,147 = 0,48.

Значит, толщина стены в Москве с учетом теплопроводности выбранного газоблока должна составлять не менее 48 см.

Для примера приведена минимальная толщина стен из газоблоков марки D500 для разных городов России:

• Москва – 35 см.
• Новосибирск – 45 см.
• Якутск – 65 см.

Чем выше показатели влажности в регионе и чем там холоднее, тем толще должны быть стены. В противном случае добиться качественной теплоизоляции не удастся.

Неопытные строители часто возводят слишком тонкие стены, руководствуясь рекомендациями производителей газоблоков, которые не учитывают множество факторов в виде мостиков холода, климатических особенностей региона и пр.

Специалисты в этом вопросе приходят к единому мнению:

Последствия неправильного выбора

Если для возведения постройки был выбран блок с теплопроводностью выше рекомендуемой, придется столкнуться с такими проблемами, как:

1. Стены будут быстро отдавать тепло, из-за чего в зимнее время существенно возрастут расходы на отопление.
2. В помещении будет сыро, на стенах начнет скапливаться конденсат, что приведет к появлению плесени.
3. Влажные стены быстро промерзают. Вода, собравшаяся внутри, увеличивается в размерах и разрушает газоблок. В результате, стены начнут крошиться, в них появятся микротрещины, которые в будущем сольются в крупные дефекты, и постройка рухнет.

В целом, проживать в холодном доме некомфортно. Неправильный климат внутри помещения ведет к развитию хронических заболеваний.

Заключение

Газобетонные блоки обладают хорошей теплопроводностью, но лишь при условии правильного выбора строительного материала. Для этого необходимо обращать внимание на показатели уровня прочности газобетона, а также на климатические условия, в которых ведутся работы. Обязательно учитывает влажность воздуха и тип возводимой стены.

Обновления модуля Свойства жидкости и газа

COMSOL Multiphysics ^® версии 5.6 представляет новый модуль Свойства жидкости и газа, который предоставляет инструменты для расчета термодинамических свойств, включая плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость, отношение удельной теплоемкости, скорость звука и многое другое для жидких и газовых смесей произвольного химического состава. Модуль полезен для моделирования вычислительной гидродинамики, теплопередачи и акустики в отсутствие химических реакций. Свойства жидкости и газа рассчитываются на основе множества модели термодинамических свойств и термодинамические модели для жидких смесей; газовые смеси; газожидкостные смеси, так называемые флэш-расчеты.

Термодинамические системы

Модуль свойств жидкости и газа позволяет вычислять большое количество свойств газов и жидкостей в термодинамической системе. Для расчета свойств газов и жидкостей в модуле используется ряд различных моделей. Для газов доступны такие модели, как идеальный газ, Пенга-Робинсона и Соаве-Редлиха-Квонга (и это лишь некоторые из них). Для жидкостей он включает, например, модели Чао–Сидера (Грейсона–Стрида), Уилсона, NRTL, UNIFAC VLE и расширенные модели регулярного решения.

. Кроме того, для каждого свойства может использоваться конкретная модель свойств, подходящая для данного типа газа или жидкости.

Новые учебные модели и приложения

COMSOL Multiphysics ^® версии 5.6 содержит несколько новых учебных моделей и приложений.

Охлаждающая жидкость двигателя

Название библиотеки приложений:
engine_coolant

Загрузить из галереи приложений

Тепловая трубка

Название библиотеки приложений:
heat_pipe

Загрузка из галереи приложений

Огибающая фазы

Диаграмма фазовых состояний неидеальной смеси хлороформ/метанол. Сначала строится диаграмма температура–состав, выделяя азеотроп смеси. Кроме того, строится диаграмма энтальпия-состав.

Название библиотеки приложений:

Загрузить из галереи приложений

Калибровочная муфта взаимного давления

Загрузка из галереи приложений s В порошки Nano-Al2O3

Введение

Большое количество выбросов парниковых газов CO ₂ усугубляет глобальное потепление. Кислотные дожди, дымка и другие непогоды нанесли огромный экономический ущерб и серьезный ущерб окружающей среде (Hansen and Sato, 2004). Контроль CO 9Выбросы 0091 2 являются основным способом борьбы с потеплением климата, как это в целом согласовано международным сообществом (Zhang et al. , 2008). В промышленном производстве, особенно в угольных шахтах, CO ₂ часто является продуктом выбросов, что также является источником опасности в производственном процессе (в истории добычи угля было много аварий с выбросами углекислого газа). Поэтому необходимо обнаруживать и контролировать выбросы CO ₂ распределенно, в режиме реального времени и точно (Ghosh et al., 2013; Zaitsev et al., 2017).

Датчик теплопроводности — это датчик теплового эффекта, который может измерять концентрацию газа по разнице теплопроводности различных газов и воздуха (Gardner et al., 2020). Обычно разность теплопроводностей преобразуют в изменение сопротивления с помощью схемы Уитстона. Режим теплопроводности обычно включает конвекцию, теплопроводность и излучение, которые работают при температуре около 300°С. Его механизм срабатывания определяет, что он имеет преимущества большой дальности обнаружения, хорошей рабочей стабильности и высокой надежности. Однако он также демонстрирует проблемы, связанные с медленным временем отклика и низкой точностью обнаружения (Wei-Yong et al. , 2006). Для достижения высокой точности и быстрого срабатывания обнаружения в опасной среде необходимо улучшить теплопроводность и чувствительность срабатывания датчика.

В последние годы углеродные нанотрубки (УНТ) постепенно стали использоваться при разработке теплопроводных датчиков газа из-за их лучших тепловых свойств и пористой структуры по сравнению с обычными керамическими носителями (Huang et al., 2019). Исследователи в стране и за рубежом изучали газовые сенсоры, модифицированные углеродными нанотрубками (Zhang, 2012). Датчик газа, изготовленный Guo et al. (2006) был покрыт небольшим количеством МУНТ между встречно-штыревыми золотыми электродами на основе Al ₂ O ₃ и хорошо реагирует на присутствие газа в толуоле при комнатной температуре. Танг и др. (2020) использовали одностенные углеродные нанотрубки (SWNT) для изготовления датчиков NH ₃ , получив превосходную чувствительность 2,44% ΔR/R на ppm _v NH ₃ , что более чем в 60 раз выше, чем собственные SWNT. датчики на основе. Бин Шен (Shen et al., 2018) и другие изучили технологию порообразования МУНТ, закрепленных на выровненных нанотрубках, а также спроектировали и изготовили своего рода датчик теплопроводности из керамического порошка с покрытием из горячей проволоки для обнаружения метана со временем восстановления отклика 8 с и 16 с (Xibo et al., 2013).

В этой статье МУНТ используются для улучшения несущей структуры с глухими отверстиями традиционных шариковых датчиков теплопроводности, открытия большего количества каналов передачи газа и эффективного улучшения проницаемости чувствительного материала «керамического шарика» (Wu and Lin, 2006). ; Торрес-Торрес и др., 2013). Представлены метод изготовления и ключевая технология такого рода датчиков. Измеряется производительность датчика и обсуждается возможный механизм. Результаты показывают, что отклик и время восстановления сенсора при загрузке модификации МУНТ в нано-Al ₂ O ₃ пороха был значительно сокращен. Исследование оказало важное влияние на совершенствование технологии обнаружения в режиме реального времени высокой концентрации CO ₂ в угольных шахтах (Qin et al., 2011).

Экспериментальная часть

Конструкция датчика и конструкция взрывозащищенного корпуса

Газовый датчик теплопроводности состоит из детектирующего и компенсирующего элементов, представляющих собой пару рабочих элементов (рис. 1А), состоящих из платинового терморезистора и носитель (рис. 1B). Эти два компонента отдельно собраны в две стандартные трубы. Один из них представляет собой негерметичную упаковку (рис. 1С), а другой представляет собой герметичную упаковку, которая используется для защиты от влаги и компенсации температуры окружающей среды чувствительного компонента. Затем изготавливается датчик теплопроводности путем сборки двух компонентов в корпусе из порошковой металлургии (рис. 1D) для реализации взрывозащищенной конструкции.

Рис. 1. Комплект датчика в сборе. На этикетке (a) показаны рабочие компоненты, на этикетке (b) показан несущий шар, на этикетке (c) показана форма упаковки, на этикетке (d) показан корпус из порошковой металлургии.

Процесс изготовления датчика

Методы изготовления чувствительного элемента и компенсационного элемента датчика теплопроводности аналогичны, но форма упаковки отличается, что играет роль дифференциальной компенсации (Xue et al., 2013) . Ключевыми факторами, ограничивающими работоспособность сенсора, являются в основном состав носителя сенсора, микроструктура, типы и формы распределения катализаторов. Основной производственный процесс датчика состоит из 10 этапов, таких как изготовление носителя, модификация носителя (смешанные углеродные нанотрубки и загрузка катализатора), намотка катушки элемента, покрытие носителя на катушке, спекание элемента, чернение элемента, согласование элемента и упаковка элемента, старение датчика и тестирование производительности и так далее. Конкретный процесс показан на рисунке 2.9.0009

Рис. 2. Процесс изготовления датчика.

Ключевой технологический процесс

Композитный материал-носитель

γ-Al ₂ O ₃ Преимущество наночастиц заключается в более высокой удельной поверхности. После смешивания с МУНТ образуется большое количество микронанопор (Zhang et al., 2018). Некоторые из сквозных отверстий подходят для изготовления чувствительных блоков датчиков теплопроводности (Wu et al., 2013).

В этой статье наноразмерные γ-Al ₂ O ₃ керамические ультрадисперсные порошкообразные материалы-носители были приготовлены методом химического осаждения (Saha et al., 2005). Под непрерывным воздействием ультразвуковой волны раствор, состоящий из 0,02 моль муравьиной кислоты, 5,4 г воды и 7 мл изопропанола, медленно прикапывали в смесь 20,4 г изопропилалюминия и 200 мл толуола. После завершения операции включают механическую мешалку и нагревают раствор до 50-60°С. Затем реакцию поддерживают в течение 1 ч, после чего получают полупрозрачный гель. Продукты фильтровали, сушили при 60°С в течение 12 ч и повторно сушили при 120°С в течение 1 ч. Затем получали рыхлый сухой гель-порошок. Нано-Al ₂ O ₃ порошок можно получить прокаливанием порошка ксерогеля в течение 2 ч при 700-800°С. Следует отметить, что режим добавления микрокапель под действием ультразвуковой волны и температуры прокаливания являются ключевыми для образования наноразмерного порошка γ-Al ₂ O ₃ .

Поскольку МУНТ трудно растворяются в воде, в эксперименте были выбраны гидроксилированные МУНТ (SSA > 490m ² /г, чистота > 95 мас. %, Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd). СЭМ-характеристика показала, что МУНТ имеют внешний диаметр 8 нм и длину 5–30 мкм. Для улучшения однородности дисперсии МУНТ в Al ₂ O ₃ порошок, необходимо приготовить МУНТ в водном растворе путем добавления определенного количества диспергатора под действием ультразвуковой волны.

Для улучшения термической стабильности носителя целевой композитный носитель также необходимо модифицировать путем добавления 5% по массе порошка Nano-CeO ₂ (30~50 нм, чистота 99,99%, Маклин). Наконец, материал был добавлен в порошок γ-Al ₂ O ₃ /CeO ₂ в соотношении 5% по массе с образованием нано-γ-Al 9.0091 2 O ₃ /CeO ₂ /MWCNTs композитный носитель катализатора.

Чернение чувствительных и компенсационных компонентов

Из-за высокой удельной поверхности и поверхностной активности нано-γ-Al ₂ O ₃ носитель из него обладает сильной адсорбцией к полярным молекулам (включая молекулы воды в воздух) (Liu et al., 2011), но эффект десорбции становится слабым. В то же время оттенки серого керамики, обожженной носителем γ-Al ₂ O ₃ /CeO ₂ /MWCNTs низка, что усугубляет эффект теплового излучения, что влияет на обнаружение эффекта тепловой конвекции.

В данной работе частицы Pd и Pt образуются путем пропитки раствором чистой хлорированной палладиевой кислоты (H ₂ PtCl ₆ ⋅6H ₂ O и H ₂ PdCl ₆ ⋅6H ₂ O аналитически pure, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd), которые, следовательно, электротермически разлагают частицы Pd и Pt, вызывая изменение цвета носителя с серого на черный. Эффективность рассеивания тепла носителя может быть эффективно снижена, когда датчик работает. Для уменьшения каталитического действия наночастиц Pd/Pt раствор нитрата свинца пропитывали поверхность черных частиц Pd/Pt и разлагали при высокой температуре с образованием десенсибилизированного монооксида свинца. В итоге были сформированы чувствительный и компенсационный элементы датчика теплопроводности без каталитического эффекта.

Устойчивое спекание и термическое разложение

Необходимо выполнить три ключевых шага, чтобы решить проблему легкого горения углеродных нанотрубок при высоких температурах.

Первым этапом электрифицированного спекания является спекание порошка носителя при высокой температуре для объединения зерен и создания микро/наноотверстий, чтобы носитель имел определенную механическую прочность и стабильную высокую удельную поверхность. Чувствительная катушка носителя с покрытием была нагружена постоянным напряжением под защитой азота высокой чистоты и при температуре около 550°С, а ток спекания 150 мА поддерживался в течение 60 мин.

Во-вторых, под защитой азота высокой чистоты пропускают ток спекания 140 мА при температуре около 500°C и поддерживают этот ток в течение 30 мин для термического разложения раствора хлорида палладия, импрегнированного в носителе. Поэтому чувствительные компоненты и компоненты компенсации станут черными.

Третий этап заключается в защите азотом высокой чистоты и при 550°С, через ток спекания 150 мА, разложение погружением раствора нитрата свинца в черный носитель 30 мин, за счет термического разложения раствора нитрата свинца с образованием МБТ и PbO , устранит носитель катализатора Pt и Pd. В результате чувствительный компонент будет иметь только эффект теплопроводности во время работы.

Сборка испытательной системы и метод проверки производительности

Динамическая испытательная система на рисунке 3 состоит из устройств ввода и вывода (включая компьютер, стабилизированный источник питания постоянного тока и коллектор данных), чистого углекислого газа, трехходового клапана, динамического испытательная камера (датчик и основание датчика), измерительная схема, интерфейс и шина. Среди них динамическая испытательная камера является основной частью всей системы, и ее объем можно регулировать с помощью внешнего поршня (аналогично поршню игольчатого цилиндра). Концентрацию целевого газа контролируют, регулируя объем испытательной камеры и объемное соотношение вводимого углекислого газа. Основание датчика закреплено снаружи испытательной камеры, и датчик можно быстро переключать между целевым газом и воздухом с помощью поршня. Эта конструкция устраняет недостаток медленного воздухообмена в традиционной тестовой камере датчика и устраняет влияние диффузии газа на время отклика датчика.

Рис. 3. Тестовая система .

Модуль датчика представляет собой типичный мост Уитстона для преобразования концентрации газа в выходное напряжение, как показано на рис. 4. Постоянные резисторы R ₁ и R ₂ (200 Ом) подключены к плечу моста на одном конце, в то время как датчик элемент и компенсационный элемент (C, D) соединены на другом конце. Два плеча соединены друг с другом с помощью источника постоянного напряжения 3,0 В (Vin). Схема обнаружения может выводить значения в милливольтах в соответствии с изменением концентрации целевого газа. р ₃ — скользящий реостат, используемый для регулировки нулевого выходного значения датчика, равного 2000 Ом.

Рис. 4. Схема обнаружения моста Уитстона.

Результаты и обсуждение

Микроскопическая характеристика углеродных нанотрубок Modified Nano-Al

Сканирующий электронный микроскоп Zeiss Supra 55 использовали для наблюдения и измерения морфологии многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). ) и его композиционных материалов-носителей с рабочим напряжением 15 000 В. Микроразмер приготовленного Al ₂ O ₃ носитель составляет 20–50 нм, как показано на рисунке 5. Углеродные нанотрубки в носителе Al ₂ O ₃ переплетаются, образуя канал внутри носителя, как показано на рисунке 6. Формирование Углеродные нанотрубки в основном представляют собой смесь sp2-гибридизированных и sp3-гибридизированных нанотрубок. Под влиянием квантовой физики он может создавать особые электрические свойства в зависимости от структуры и диаметра сети. В то же время углеродные нанотрубки также синтезируются с двойными углерод-углеродными связями, полыми клетками и закрытыми топологиями, поэтому они обладают превосходными термическими и механическими свойствами (Dongmei et al., 2014).

Рис. 5. СЭМ-изображение размера частиц носителя Al ₂ O ₃ .

Рис. 6. СЭМ-изображение МУНТ Al ₂ O ₃ , адаптированных к носителю.

На рис. 7 показано, что носитель в основном состоит из углеродных нанотрубок Al ₂ O ₃ и CeO ₂ . Ожидаемые компоненты углеродных нанотрубок и CeO ₂ были модифицированы. Массовое соотношение Pt и Pd составляет 2:1, как показано в результатах картографической характеристики (таблица 1), тогда как углеродные нанотрубки достигают 4,14%.

Рис. 7. Энергетический спектр носителя датчика.

Таблица 1. Результаты характеристики картирования.

Эксплуатационные испытания датчика

Характеристики рабочего напряжения датчика

На рис. 8 показана чувствительность при различных рабочих напряжениях от 1,5 до 3,0 В с 10% CO ₂ . Очевидно, что зависимость между чувствительностью и рабочим напряжением не является линейной. При повышенном рабочем напряжении чувствительность сначала имеет тенденцию к росту, а затем снижается по сравнению с установленной чувствительностью. Чувствительность достигает своего максимума при 2,7 В, поэтому в последующих тестах используется рабочее напряжение 2,7 В. Это показывает, что датчик, модифицированный МУНТ, может работать при более низком напряжении и имеет меньшее энергопотребление, чем коммерческий датчик, работающий при напряжении 3,0 В.

Рис. 8. Кривая подбора чувствительности для 10% CO ₂ при различных рабочих напряжениях.

Линейные характеристики отклика сенсора

Кривая восстановления отклика концентрации CO ₂ определяется от 0 до 100 % путем контроля концентрации CO ₂ в тестовой системе при температуре окружающей среды 25°C и влажности 45 %. с интервальной концентрацией 10% и рабочим напряжением 2,7 В в три раза. Линейная аппроксимация среднего выходного напряжения датчика и СО 9Концентрация 0091 2 показана на рис. 9, из которого видно, что датчик имеет хорошую линейную зависимость (y = 0,464 + 0,754X, R ² = 0,9986) со средней чувствительностью около 0,00754 В/10% CO ₂ . Чувствительность CO ₂ при концентрации менее 40% несколько выше, чем при концентрации более 40%.

Рис. 9. Входная и выходная характеристики датчика.

Характеристики согласованности отклика датчика

Одной из проблем при применении газовых сенсоров теплопроводности является согласованность отклика целевых газов с различной концентрацией, на которую влияют как условия испытаний, так и характеристики сенсора. В этом тесте динамическая газовая камера со шкалой объема используется для быстрого переключения между воздухом и измеряемым газом. Тогда достигается идеальный результат. На рис. 10 показано, что датчик имеет хорошие характеристики отклика и восстановления для различных значений CO 9 .0091 2 концентрации с одинаковыми характеристиками отклика и восстановления при десяти различных концентрациях. Результаты испытаний трехкратного времени отклика и восстановления показаны на рисунке 11, время отклика T ₉₀ разработанного датчика составляет 9 с, а время восстановления T ₉₀ составляет 13 с.

Рис. 10. Кривая отклика и восстановления непрерывного измерения.

Рисунок 11. Время отклика и время восстановления при различных концентрациях.

Влияние легирования углеродных нанотрубок на характеристики отклика сенсора

Время отклика является важным показателем газового сенсора. Как правило, время, необходимое для того, чтобы выходное значение датчика газа достигло 90% от стабильного значения после контакта с целевым газом, определяется как время отклика датчика, которое выражается T ₉₀ . Чем меньше значение, тем выше скорость отклика. Время отклика датчика делится на диффузию CO ₂ газа на корпус из порошковой металлургии и время прямого отклика датчика на газ CO ₂ . На время диффузии газа будет влиять размер этого наложения порошковой металлургии. Определено, что спецификация 400 меш является лучшим выбором для газовых испытаний.

В условиях концентрации 30% CO ₂ рабочее напряжение датчика было установлено равным 2,7 В, а кривые отклика и восстановления трех типов датчиков теплопроводности: модифицированных не-МУНТ, модифицированных МУНТ и MD62, которые производства компании Winsen (Китай) (Winsen, 2018) с чувствительностью 0,0061 В/10% CO ₂ были протестированы, как показано на рисунке 12. Чувствительность модифицированных МУНТ намного выше по сравнению с датчиком до модификации и MD62. Время отклика T ₉₀ модифицированного датчика, не содержащего МУНТ, составляет 11 с, а время восстановления T ₉₀ составляет 17 с. Время отклика T ₉₀ датчика MD62 составляет 10 с, а время восстановления T ₉₀ — 18 с. Результаты показывают, что разработанный датчик с временем отклика T ₉₀ 9 с и T ₉₀ время восстановления 13 с имеет лучшую производительность. Кроме того, модифицированные углеродные нанотрубки могут значительно улучшить характеристики восстановления отклика датчика теплопроводности.

Рисунок 12. Кривые отклика для 30% CO ₂ по сравнению с датчиком, не модифицированным МУНТ, и коммерческим датчиком MD62.

Быстродействующий механизм Обсуждение датчика теплопроводности

При изменении целевого окружающего газа быстрое достижение нового баланса измерительными компонентами датчика является ключом к улучшению характеристик датчика газа теплопроводности. Из механизма срабатывания датчика теплопроводности способность чувствительного элемента к тепловому балансу является ключом к влиянию на реакцию датчика, которая зависит от теплопроводности и микроструктуры самого датчика. Традиционный способ заключается в уменьшении размера носителя из оксида алюминия и увеличении удельной поверхности. Когда порошок оксида алюминия уменьшается до наноразмеров (< 50 нм) благодаря механизму образования носителя, во внутренней части носителя из оксида алюминия наблюдается большое количество отверстий. Однако большая часть этих отверстий является глухими, непроницаемость которых приведет к возникновению газопроницаемого барьера, что приведет к недостаточному воздухообмену и, как следствие, к снижению скорости отклика датчика и легкому снижению производительности.

Электрические свойства носителя сенсора можно улучшить за счет улучшения углеродных нанотрубок. Во-первых, углеродные нанотрубки улучшают транспортную эффективность измеряемого газа за счет улучшения микроканала носителя, как показано на рисунке 13. Внутренний диаметр МУНТ составляет 2–5 нм, что позволяет газу CO ₂ диффундировать и транспортироваться в МУНТ. МУНТ и порошок оксида алюминия сцементированы вместе, что играет роль образования вторичных пор и обеспечивает множество каналов для носителя, так что первоначальный теплообмен при поверхностном расширении может быть распространен на внутренний обмен. Во-вторых, текущая длина углеродных нанотрубок составляет 5–30 мкм, а их теплопроводность может достигать 1000 Вт/м⋅K, что в 100 раз больше, чем у Al ₂ O ₃ , что эффективно улучшает теплопроводность композитного материала-носителя (Shanni et al., 2020). Кроме того, из-за большой площади углеродных нанотрубок он также может повысить эффективность теплообмена измеряемого газа на чувствительном носителе, что значительно улучшает время отклика и стабильность датчика.

Рис. 13. Принципиальная схема легирования микроканала МУНТ.

Заключение

(1) γ-Al ₂ O ₃ /CeO ₂ материал-носитель, модифицированный углеродными нанотрубками, имеет решающее значение для чувствительности датчика теплопроводности. Термическая обработка может изменить его кристаллическую форму, сделать его более активным и сохранить хорошие физические и химические свойства, подавить агломерацию носителя и улучшить стабильность датчика. В условиях воздуха испытание CO ₂ показало, что средняя чувствительность датчика составляет 0,0075 В/10% CO ₂ и демонстрирует хорошую линейность.

(2) Для разных концентраций CO ₂ датчик продемонстрировал хорошие характеристики отклика и восстановления, которые одинаковы при разных концентрациях. Время отклика T ₉₀ и время восстановления T ₉₀ датчика составляют 9 с и 13 с соответственно, что лучше по сравнению с датчиком без МУНТ и коммерческим датчиком того же типа.

(3) Многослойные углеродные нанотрубки обладают теплопроводностью. Модифицированный композитный носитель способствует полной теплопередаче измеряемого газа в отверстии и повышает эффективность теплопередачи измеряемого газа на носителе, что может значительно улучшить теплопроводность носителя и позволить датчику демонстрировать быстрый отклик. характеристики.

Заявление о доступности данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал. Дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.

Вклад авторов

BS: концептуализация, исследование, написание обзора, управление проектом и получение финансирования. XWL: методология и руководство. ФЗ и XLL: программное обеспечение. БС и ЖЖ: валидация. XQ: ресурсы. FZ и XS: обработка данных. BS и XLL: написание – подготовка и редактирование исходного проекта. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа была поддержана Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая (2018YFC0810500), Национальным фондом естественных наук Китая (52074111), Фондом естественных наук провинции Хэйлунцзян (YQ2020E034) и Университетской программой обучения молодых инновационных талантов. проект провинции Хэйлунцзян (UNPYSCT-2018095).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Хунцюань Чжана и его команду из Харбинского инженерного университета за их долгосрочное предоставление всех видов газа и техническое руководство. Они также хотели бы поблагодарить рецензентов за их проницательные и конструктивные комментарии.

Ссылки

Дунмей, З., Чжэньвэй, Л., Линди, Л., Яньхун, З., Декай, Р., и Цзянь, Л. (2014). Ход получения и применения композиционных материалов графен/углеродные нанотрубки. Акта Чими. Грех. 72, 185–200. doi: 10.6023/A13080857

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гарднер, Э. Л. В., Лука, А. Д., Винсент, Т., Джонс, Р. Г., Гарднер, Дж. В., и Удреа, Ф. (2020). Датчик теплопроводности с изолирующими мембранными отверстиями. 2019 ДАТЧИКИ IEEE. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: IEEE.

Google Scholar

Гош Р., Мидья А., Сантра С., Рэй С. К. и Гуха П. К. (2013). Химически восстановленный оксид графена для обнаружения аммиака при комнатной температуре. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 5, 7599–7603. doi: 10.1021/am4019109

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Го М., Пан М., Чен Дж., Ми Ю. и Чен Ю. (2006). Многослойные углеродные нанотрубки, модифицированные палладием, для обнаружения бензола при комнатной температуре. Чин. Дж. Анал. хим. 34, 1755–1758. doi: 10.1016/S1872-2040(07)60020-6

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Хансен Дж. и Сато М. (2004). Темпы роста выбросов парниковых газов. Проц. Натл. акад. науч. США 101, 16109–16114. doi: 10.1073/pnas.0406982101

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Хуанг, Дж. Р., Ян, X. X., Хер, С. К., и Лян, Ю. М. (2019). Гибридная пленка углеродных нанотрубок/графеновых нанопластинок в качестве гибкого многофункционального датчика. Датчики 19:317. doi: 10.3390/s1₁₇

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лю Ф., Абед М. Р. М. и Ли К. (2011). Получение и характеристика ультрафильтрационных мембран на основе поли(винилиденфторида) (ПВДФ) с использованием нано γ-al2o3. Дж. Член. науч. 366, 97–103. doi: 10.1016/j.memsci.2010.09.044

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Цинь X., Фу М. и Шен Б. (2011). «Беспроводная система мониторинга угольных шахтных газов на основе WSN [C]», в материалах Второй международной конференции по цифровому производству и автоматизации 2011 г. (Чжанцзяцзе: IEEE), 309–312. doi: 10.1109/ICDMA.2011.82

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Саха Д., Мистри К. К., Гири Р., Гуха А. и Сенгупта К. (2005). Зависимость свойства влагопоглощения от золь-гель процесса прозрачной наноструктурированной керамики γ-al2o3. Сенсорные приводы B Chem. 109, 363–366. doi: 10.1016/j.snb.2005.01. 002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шанни В. У., Юань З., Хун Дж., Фэн В. и Чуньронг Х. (2020). Создание функциональных наномультислоев w/al2o3 с низкой теплопроводностью и превосходными механическими свойствами. Матер. Респ. 34, 2023–2028 гг.

Google Scholar

Шэнь Б., Чжан Х., Лю Х., Цао С. и Ян П. (2018). Изготовление и характеристика каталитического датчика метана на основе технологии микроэлектромеханических систем. Дж. Наноэлектрон. Оптоэлектрон. 13, 1816–1822 гг. doi: 10.1166/jno.2018.2435

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан С., Чен В., Чжан Х., Сун З. и Ван Ю. (2020). Сенсор газа из функционализированных однослойных углеродных нанотрубок с наночастицами pd для обнаружения водорода в высоковольтных трансформаторах. Фронт. хим. 8:174. doi: 10.3389/fchem.2020.00174

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Торрес-Торрес, К., Переа-Лопес, Н., Мартинес-Гутьеррес, Х. , Трехо-Вальдес, М., Ортис-Лопес, Дж., и Терронес, М. (2013). Оптоэлектронная модуляция многослойными углеродными нанотрубками. Нанотехнологии 24:045201. doi: 10.1088/0957-4484/24/4/045201

CrossRef Full Text | Google Scholar

Вей-Юн, Х., Мин-Мин, Т., и Цзы-Хуэй, Р. (2006). Новый метод определения концентрации газа с помощью датчика теплопроводности. Чин. Приводы J. Sens. 19, 973–975. doi: 10.1016/S1005-8885(07)60041-7

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Winsen (2018). Датчик температуры газа MD62. [ЭБ/ПР] . Доступно в Интернете по адресу: http://www.winsensor.com/redao/MD62rdCO2cgq_41.html (по состоянию на 20 мая 2018 г.).

Google Scholar

Ву, Т. М., и Лин, Ю. В. (2006). Легированные композиты полианилин/многослойные углеродные нанотрубки: получение, характеристика и свойства. Полимер 47, 3576–3582. doi: 10.1016/j.polymer.2006.03.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xibo, D. , Xiaoyan, G., Yuechao, C., Xue, S., and Zhaoxia, L. (2013). Исследование метода определения постоянной температуры датчика метана по теплопроводности. Телкомника 11:725. дои: 10.12928/TELKOMNIKA.v11i4.1168

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюэ С., Сибо Д., Юечао С., Ген Х. и Лонг Б. (2013). «Температурный дрейф и методы компенсации для газового датчика теплопроводности», в Трудах 8-го Международного форума по стратегическим технологиям (IFOST) 2013 г. (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: IEEE).

Google Scholar

Ву, Ю., Ма, Дж., Ли, М. и Ху, Ф. (2013). Синтез гамма-al2o3 с большой площадью поверхности и большим объемом пор; метод обратного осаждения-азеотропной перегонки. Хим. Рез. Подбородок. ун-т 29, 206–209. doi: 10.1007/s40242-013-2207-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зайцев Б.Д., Теплых А.А., Бородина И.А., Кузнецова И.Е., Верона Е. (2017). Датчик бензина на основе пьезоэлектрического резонатора, возбуждаемого боковым электрическим полем.