Газоблок теплопроводность характеристики: Теплопроводность газобетона, характеристики теплопроводности газоблока

Характеристика теплопроводности газоблоков — Блог компании «Крымплита»

Теплопроводность – это способность материала проводить тепловую энергию. По этому показателю определяют, насколько хорошо газобетон способен удерживать тепло в помещении. Компания «Крымплита» предлагает воспользоваться возможностью и купить газоблок в Крыму по адекватным ценам. 

Для чего нужно знать коэффициент теплопроводности?

Коэффициент теплопроводности отражает объем пропускаемого тепла за единицу времени. Чем ниже цифровое значение, тем лучше сохраняется температура в здании.

По сравнению с иными строительными материалами газоблоки обладают высокой степенью защиты здания от теплопотерь.

Показатель важно учитывать на этапе проектирования здания.

• Расчет оптимальной по энергоэффективности толщины стен в зависимости от региона. Так, для Московской области по СНИП толщина каркаса дома при использовании блока D400 составляет 40-50 см, D500 уже 50-60 см;
• Определение необходимости, а также способа утепления для стен. Чем выше теплопроводность марки газоблока, тем сильнее утепляют фасад.

Что влияет на теплопроводность газобетона?

Газобетон относится к пористым материалам. Пустоты с воздухом в нем составляют более 80% объема блока, именно это делает стройматериал хорошим термоизолятором.

Плотность

Показатель можно определить по марке (D400, D800). Чем ниже плотность, тем больше в газоблоке воздуха и тем более теплым (но и более хрупким) является материал. Стены в домах из блоков с более высокой плотностью нуждаются в дополнительном утеплении.

Различают 3 вида газоблоков:

• Теплоизоляционный газобетон (D200-400). Обладает наименьшим коэффициентом теплопроводности от 0,048 до 0,096, имеет низкую прочность. Применяется для утепления стен и строительства перегородок;
• Конструкционно-теплоизоляционный (D500-800). Оптимальный вариант по сочетанию прочности и теплоизоляционных качеств. Подходит для строительства одно- и двухэтажных домов. Коэффициент теплопередачи от 0,12 до 0,21;
• Конструкционный (D900-1200). Плотный материал с теплопроводностью 0,24-0,38. Нуждается в дополнительной теплоизоляции.

Влажность

При повышении влажности ухудшаются теплоизоляционные свойства газобетона. Этот факт следует учитывать при строительстве каркаса и последующей отделке и облицовке стен. Материалу необходимо дать как следует просохнуть, а при утеплении проложить пароизоляцию.

На теплоизоляцию стен из газоблоков также влияют технологии строительства: кладка на специальный клей, использование арматуры для монтажа перекрытий.

На нашем сайте вы можете купить не только газобетон, но и другие строительные материалы. Например, купить плиты ЖБИ перекрытия, цена на ни будет более чем приемлемая.   

Теплопроводность газобетона:

Содержание

1. Характеристики материала
2. Коэффициент теплопроводности
3. Улучшение тепловых характеристик
4. Сравнение с другими материалами и блоками

Последние 30-40 лет для строительства широко применяется газобетон, а именно газобетонные блоки. Впервые они появились еще в начале XX века, но применение нашли только ближе к XXI. Теплопроводность газобетона позволяет применять его в строительстве хозяйственных сооружений и для возведения жилых домов. Из газобетонных блоков высокой плотности возводят даже многоэтажные здания.

Характеристики материала

Газобетон получают при проведении реакции извести с алюминиевой пудрой. Из-за выделения газа водорода в процессе в толще бетона образуются пустоты в виде ячеек, поэтому этот материал еще называют ячеистым бетоном. Эта пористость и делает газобетон легким (для него характерен небольшой вес относительно его размеров), паропроницаемым, хорошим теплоизолирующим материалом.

По способу затвердевания блоки бывают автоклавные и неавтоклавные. Первые оставляют затвердевать в специальном оборудовании – автоклаве, где устанавливают нужную температуру и давление. Неавтоклавный газобетон твердеет на воздухе, его характеристики ниже, чем у автоклавного, а долговечность всего 50 лет (что в 4 раза меньше, чем у первого вида блоков).

Малый вес газобетонных блоков позволяет строить здания на небольшом фундаменте, который нет необходимости заглублять больше, чем на метр. Поверхность блоков ровная, что позволяет монтировать их на клей, без применения цемента. Это также повышает теплоизоляционные свойства.

Газобетонные блоки огнеупорны и экологичны, а строения из них прочные, надежные и безопасные для здоровья. А также обладают шумоизолирующими свойствами.

Внимание! Все газобетонные блоки делятся на 3 категории точности. Газобетон первой категории самый ровный, отклонения по размерам не должны превышать 1,5 мм! Второй класс точности – отклонения 2 мм, а третий –неровный, используется при строительстве хозяйственных построек.

По результатам исследований, газобетонный блок способен выдерживать до 100 циклов замораживания-оттаивания, не теряя своих физических свойств, что говорит о его морозостойкости. В зависимости от марки, показатели морозостойкости изменяются в пределах 35-150 для автоклавного, и 15-35 для неавтоклавного блока.

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности – способность газобетона передавать тепловую энергию. То есть, чем выше этот коэффициент, тем быстрее строительный материал отдаст тепло окружающей среде и сделает помещение холодным. Чтобы не тратиться на дополнительный обогрев жилья в зимнее время года, стоит заранее продумать выбор материала для строительства и способы утепления.

Более пористая структура делает газобетон менее теплопроводным, но при этом хрупким. Разные маркировки газобетонных блоков характеризуют их свойства в зависимости от плотности. Так, теплопроводность газобетона d300, d400 меньше теплопроводности блоков с маркировкой d500, d600. Поэтому первые чаще всего используют в качестве теплоизоляции строений, но из-за хрупкости не применяют в возведении несущих конструкций. Для строительства жилых многоэтажных зданий подойдет более плотный газобетон d1000-d1200. Средний по плотности и изоляционным свойствам блок используют при строительстве одноэтажных зданий.

Газобетонные блоки делятся на три вида в зависимости от плотности и теплопроводности: теплоизоляционные (D300-500), конструкционно-теплоизоляционные(D600-D900) и конструкционные (D1000-1200).

Сравнить теплопроводность газобетона разных марок можно в таблице:

Газобетонные блоки марки D500 способны выдерживать вес стен высотой в 3 этажа вместе с перекрытиями.

При этом предусмотрено обязательное укрепление конструкции армированием.

Улучшение тепловых характеристик

Чтобы повысить энергосберегающую способность дома, построенного из газобетона, можно выбрать более широкую толщину стен. Обычно для жилого помещения толщину внешних конструкций 30-40 см оптимальна для средней полосы. Для очень холодных регионов возводят каркас сооружений в два или более слоя, а для хозяйственных построек можно выложить блоки шириной 20 см.

Для утепления жилого помещения из данного материала специалисты рекомендуют применять дополнительную наружную отделку. Если внешние стены оставить незащищенными, то из-за высокой паропроницаемости газобетона со временем теплопроводность таких газобетонных блоков повысится из-за влажности, а изоляционные свойства соответственно снизятся.

Наружный слой утеплителя должен обладать меньшей пароизолирующей способностью и большей теплоизолирующей, чем газобетон и материал внутренней отделки.

Для утепления можно применять пенопласт или пенополистирол, в том числе экструдированный, минвату и эковату, а также теплую штукатурку. А в качестве отделочных материалов используют виниловый или фиброцементный сайдинг, декоративную плитку, штукатурку.

Сравнение с другими материалами и блоками

Среди других строительных материалов, газобетонные блоки можно сравнить с пеноблоками, деревом, кирпичом.

Пеноблоки похожи на газобетонные, но их плотность несколько выше, а ячейки не открытые, а замкнутые. Из всех представленных, дерево является самым экологичным строительным материалом. Жилье из дерева пропускает воздух, что позволяет создать приятный микроклимат в помещении, но один из главных минусов этого материала – его высокая горючесть. А если сравнить теплопроводность дерева и газобетона, то первое существенно проигрывает по способности к теплоизоляции. Кирпич же является самым плотным материалом для возведения стен, выдерживает самые низкие морозы и долгие годы эксплуатации.

Несомненно, при сравнении других строительных материалов с бетонными газоблоками, теплопроводность последних ниже.

По такой характеристике, как теплопроводность, а точнее теплоизоляция, газобетон уступает лишь дереву, минеральной вате и пенополистеролу для утепления, поэтому можно сказать, что для возведения наружных стен здания более теплого материала не найти.

Как показывает практика, блоки из газобетона очень хорошо зарекомендовали себя как в качестве утеплителя, так и в качестве основного строительного материала. Но, полагаясь на заверения производителя, не стоит забывать, что в зависимости от природных условий места, где используется такой блок, его характеристики способны изменяться. Возможно, что в местах с повышенной влажность придется хорошо утеплять стены, а в местах, где мороз достигает значений ниже -40°С придется класть стены в несколько газобетонных слоев.

Теплопроводность упорядоченных пористых структур, взаимодействующих с газовой и твердой фазами: исследование молекулярной динамики

• Список журналов
• Материалы (Базель)
• PMC8123498

Материалы (Базель). 2021 май; 14(9): 2221.

Опубликовано в сети 26 апреля 2021 г. doi: 10.3390/ma14092221

Доминик Бейлис, академический редактор

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензии Отказ от ответственности

Заявление о доступности данных важный процесс для многих промышленных применений. Оптимизация конструкции теплоизоляционного материала очень важна во многих областях, таких как изоляция труб, тепловая защита космических кораблей и изоляция зданий. Понимание микромеханизма эффекта взаимодействия твердого тела с газом необходимо для разработки изоляционного материала. Прогнозирование теплопроводности для некоторых видов пористых материалов затруднено из-за взаимодействия твердого тела и газа. В этом исследовании метод Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) и моделирование молекулярной динамики (MD) используются для исследования теплопроводности упорядоченных пористых структур пересекающихся квадратных стержней. Выявлено влияние концентрации газа (давления) и взаимодействия твердого тела с газом на теплопроводность. Результаты моделирования показывают, что для различных структур каркаса влияние давления на теплопроводность представляет собой непоследовательный режим, который отличается от предыдущих исследований. При одном и том же давлении теплопроводность практически не меняется при различных взаимодействиях газовой и твердой фаз. Это исследование обеспечивает возможность прямого расчета теплопроводности для пористых структур, связывающих газовую и твердую фазы, с использованием моделирования молекулярной динамики. Теплопередачу в пористых структурах, содержащих газ, можно понять на фундаментальном уровне.

Ключевые слова: теплопроводность, пористые структуры, молекулярно-динамическое моделирование, метод Грина-Кубо

Пористые материалы широко используются во многих областях, таких как изоляция зданий, хранение и разделение газа, аэрокосмическая промышленность и т. д. Теплоперенос в пористых материалах, содержащих газовую фазу, является важным процессом, который невозможно полностью понять на фундаментальном уровне, особенно для нанопористых материалов. Точное предсказание теплопроводности нанопористых материалов крайне необходимо для применения.

Большое количество теоретических моделей теплопроводности было разработано в предыдущих исследованиях [1, 2, 3, 4, 5, 6] с учетом влияния газа, твердого тела и излучения в непористом материале, в котором существуют некоторые отклонения по сравнению с с экспериментальным значением в некоторой степени. Из-за чрезвычайно сложных структур и эффекта взаимодействия твердого тела с газом в теоретической модели требуется множество эмпирических параметров, которые трудно определить. Численное моделирование является возможным выбором для непосредственного получения свойств нанопористых материалов. Решеточный метод Больцмана применялся для исследования фононного теплообмена в сферическом сегменте зерен аэрогеля нанокремнезема [7].

Результаты моделирования показали, что распределение температуры в зерне кремнеземного аэрогеля сильно зависит от размера, а рассеяние фононов на граничных поверхностях становится более заметным при уменьшении размера зерен. Ли и др. В работе [8] разработана модифицированная модель для прогнозирования газовой теплопроводности в нанопористых материалах на основе метода прямого моделирования Монте-Карло (DSMC). Результаты показали, что модифицированная модель имеет более высокую точность без сложных расчетов и допущений. Влияние размера на теплопроводность газа изучалось методом ПСМ [9].]. На границе существует очевидный скачок температуры, и теплопроводность имеет тенденцию к уменьшению при увеличении числа Кнудсена от 0,01 до 0,1. Чжао и др. В работе [10] получена газовая теплопроводность азота с использованием трехмерного метода DSMC с переменной моделью столкновения мягких сфер. Результаты согласуются с экспериментальными данными, но намного выше, чем по соотношению Эйкена, особенно при высокой температуре. Нанопористые аэрогели были реконструированы с помощью усовершенствованного метода трехмерной кластерно-кластерной агрегации с ограничением диффузии (DLCA), в котором количественно определялся вклад теплопередачи твердого тела-газа в теплопроводность, обусловленную газом [11]. Для прогнозирования эффективной теплопроводности нанопористых аэрогелевых материалов был разработан модифицированный решеточный метод Больцмана [12], который ввел дополнительный коэффициент для регулирования разницы теплопроводности между твердой и газовой фазами и гарантировал конвергентное решение. Фанг и др. В [13] решеточный метод Больцмана использовался для решения уравнения проводимости-излучения для предсказания эффективной теплопроводности. Результаты моделирования показали, что эффективная теплопроводность чистого нанопористого аэрогеля быстро увеличивается с температурой и сильно снижается при легировании добавками. Теплопроводность нанопористой пленки и нанокомпозита численно исследовалась путем решения фононного уравнения переноса Больцмана с частотно-зависимой моделью [14]. Был введен локальный угол между тепловыми потоками и локальным тепловым потоком, и все результаты показали, что наноструктурный материал с большим средним углом будет иметь меньшую теплопроводность. Танг и др. [15] исследовали теплопроводность тонкой пленки нанопористого кремния с использованием метода дискретных ординат (DOM). Учитывались эффекты толщины, пористости и пористой структуры. Численные результаты показали, что нанопоры способны резко снижать теплопроводность тонкой пленки кремния за счет граничного рассеяния фононов.

Молекулярно-динамическое моделирование также является эффективным методом решения наноразмерных задач переноса тепла газами и твердыми телами. Кокил и др. [16] впервые применили моделирование неравновесной молекулярной динамики для предсказания теплопроводности аморфного нанопористого кремнезема. Результаты моделирования показали, что теплопроводность нанопористого кремнезема при комнатной температуре не зависит от размера пор и зависит только от пористости. Нг и др. В работе [17] исследована теплопроводность образцов нанопористого аэрогеля различной плотности путем разрыва плотных образцов кремнезема отрицательным давлением. Результаты показали, что степенная зависимость теплопроводности изменяется почти линейно с плотностью, при этом уменьшение плотности и увеличение пористости приведет к линейному уменьшению теплопроводности. Теплоперенос в цепочке вторичных частиц аэрогеля нанопористого кремнезема изучался с помощью молекулярно-динамического моделирования [18]. Перенос тепла подавлялся, когда длина контакта или концентрация дефектов увеличивались, а ограничивающий эффект был гораздо более очевидным, когда доля длины контакта находилась в небольшом диапазоне. Характеристики теплопередачи наноразмерного газа исследовались методом молекулярно-динамического моделирования [19].]. Рассмотрено влияние силового поля стенки, жесткости стенки и потенциальной напряженности взаимодействия стенка-газ на эффективную теплопроводность. Babaei и Wilmer [20] исследовали механизмы переноса тепла в системе пористый кристалл-газовая смесь с помощью молекулярно-динамического моделирования. Исследование показало, что в теплопроводности системы преобладает кристалл, который снижается по мере увеличения концентрации газа в порах. Снижение проводимости, связанное с увеличением концентрации газа, связано с рассеянием фононов кристаллом, вызванным взаимодействием с молекулами газа.

Несмотря на то, что было выполнено большое количество работ по теплопроводности нанопористых материалов, теоретическую модель особенно трудно использовать для непосредственного описания подробного взаимодействия газа и твердого тела, и большинство работ по моделированию сосредоточено только на одном компоненте. , твердое тело или газы. В этой работе мы проводим моделирование равновесной молекулярной динамики для изучения теплопроводности упорядоченных пористых структур, связывающих газовую и твердую фазы. Рассмотрено влияние давления и взаимодействия газа с твердым телом на теплопроводность.

Молекулярно-динамическое моделирование в данной работе выполнено с использованием пакета LAMMPS [21]. Ячейка моделирования, включающая газ и твердое тело, получается из упорядоченных пористых структур пересекающихся квадратных стержней, как показано на рис. Периодическое граничное условие используется во всех направлениях. В качестве твердой фазы упорядоченных пористых структур, заполненных газом гелия при 20 К, выбран аргон. Твердый аргон представляет собой гранецентрированный кубический кристалл с периодом решетки S = 5,4 Å. Потенциал Леннарда-Джонса 12–6, E = 4 ε [( σ / r ) ¹² − ( σ / r ) ⁶ ] 14 Å. Подробные параметры, используемые в нашем моделировании, перечислены как в . Ансамбль NVT, который поддерживает постоянным число атомов, объем и температуру, используется с термостатом Нозе-Гувера при 20 K с временным шагом 5 фс.

Открыть в отдельном окне

Настройка системы моделирования.

Таблица 1

Параметры, используемые при моделировании.

L ( S )

Материал	ε (KCAL/MOL)	σ (Å)	L ( S )	L ( S )	L ( S )	L ( S ))	Аргон	0,39	3,35	4, 5, 6, 7, 8	8, 12, 16, 20, 24
Гелий	0,25	6,70	. 0095
Аргон-Гелий	0,16	10,05

Открыть в отдельном окне

Теплопроводность нанопористой системы рассчитана по формуле Грин-Кубо

λ=VkbT2∫0∞〈j(0)j(t)〉dt

(1)

где k _b — постоянная Больцмана, V — объем ячейки моделирования, а угловые скобки обозначают среднее значение по времени. Микроскопический тепловой поток j получается из следующего уравнения

j(t)=1V(∑iviεi+12∑i∑j,j≠irij(vi·Fij))

(2)

где v _i — скорость атома i и F _ij — сила, действующая на атом i со стороны атома j . ε _i в первом члене уравнения (2) представляет собой энергию на атом, включая потенциальную и кинетическую энергию.

Для исследования теплопроводности нанопористой системы при различных давлениях все расчеты выполняются в два этапа. На первом этапе для определения газосодержания при различных давлениях используется симуляция Grand Canonical Monte Carlo. Алгоритм создает большой канонический ансамбль, в котором атомы газа могут быть перемещены, удалены или созданы в окне моделирования. На этом этапе на каждом шаге осуществляется большое количество попыток вставки и удаления атомов газа. Вставка или удаление атомов газа равновероятны в любом месте, если судить по обычным критериям Большого канонического алгоритма Монте-Карло. Газ гелия рассматривается как идеальный газ и химический потенциал μ можно определить, используя давление P , заданное формулой μ = k _b T ln( Pφ / k _b T ), где Количество атомов газа усредняется за последние 400 000 шагов как содержание газа для различных давлений. На втором этапе ячейка моделирования, включающая твердое тело и газ, сначала достигает равновесного состояния в ансамбле НВТ при 20 К. Затем по формуле Грина-Кубо рассчитывается теплопроводность нанопористой системы. Вектор теплового потока регистрируется каждые 5 временных шагов в ансамбле NVE для 5 × 10 ⁷ временных шагов. Время корреляции составляет 10 000 временных шагов. Для всех случаев мы выполнили 5 независимых симуляций с разными случайными затравками для распределения атомов по скоростям. Усредненное значение 5 симуляций используется для прогнозов теплопроводности.

показывает автокорреляционные функции теплового потока (HFACF), отвечающие уравнению (1) для нанопористой системы. Мы можем обнаружить, что HFACF постепенно приближается к нулю примерно через 10 пс, что также доказывает, что время корреляции 50 пс, используемое в нашем моделировании, достаточно велико для получения стабильной теплопроводности. Текущая теплопроводность получена на основе HFACF, которая стабилизируется на уровне около 0,14 Вт м 9 .0047 −1 K ⁻¹ после 20 пс.

Открыть в отдельном окне

ВТАКФ и погонная теплопроводность.

3.1. The Pressure Effect

и показывает распределение атомов газа в нанопористой системе ( L = 12 S , l = 4 S и L = 12 S 7 09 L , 9003 ). Мы используем постоянную решетки S в качестве радиуса отсечки для проведения кластерного анализа для системы газ-твердое тело. Атомы газа вблизи твердой фазы рассматриваются как адсорбированное состояние, а остальные рассматриваются как свободные атомы. Общее количество атомов газа в нанопористых системах увеличивается с давлением. Однако для системы L = 12 S , l = 8 S , атомы свободного газа не зависят от давления из-за ограниченного пространства. Теплопроводность нанопористой системы ( л = 12 с , л = 4 с и л = 12 с , л = 8 с) как функция давления Показано в . Суммарная теплопроводность л = 8 С выше, чем у системы л = 4 S в диапазоне от 0 до 4 атм из-за высокой теплопроводности твердой фазы (давление = 0). Для нанопористой системы l = 4 S общая теплопроводность увеличивается с более высоким давлением или газовой нагрузкой, что связано с увеличением количества свободных атомов газа, что соответствует лучшей способности к теплопередаче. Полученная теплопроводность для л = 8 С практически не изменяется при изменении давления. Это связано с тем, что в нанопористой системе практически отсутствуют свободные атомы газа, а в общей теплопроводности преобладает твердая фаза.

Открыть в отдельном окне

Распределение атомов газа в нанопористых системах.

Открыть в отдельном окне

Общее и количество свободных атомов газа в нанопористых системах.

Открыть в отдельном окне

Зависимость теплопроводности от давления.

3.2. Структурный эффект

На практике нанопористые материалы имеют различные структурные особенности в зависимости от метода и условий приготовления. Между тем структура также оказывает существенное влияние на общую теплопроводность нанопористой системы. Теплопроводность имитационной единицы, принимающей различные конструктивные параметры при одном и том же давлении, получается, как показано на и . Когда длина ( L ) блока моделирования теплопроводность системы сначала уменьшится и достигнет минимума около 10 S , а затем увеличится. Начальное снижение теплопроводности связано с увеличением пористости, при которой твердая фаза является основным фактором, определяющим общую теплопроводность. По мере того, как длина ( L ) модуля моделирования продолжает увеличиваться, количество атомов газа и теплопроводность соответствующего газа будут увеличиваться. Для той же длины ( L ) модуля моделирования увеличение ширины твердого каркаса приведет к быстрому увеличению общей теплопроводности, что в основном связано с увеличением теплопроводности твердой фазы. Хотя атомы газа в этой ситуации уменьшаются, влияние твердой фазы более очевидно и приводит к увеличению общей теплопроводности, как показано на рис.

Открыть в отдельном окне

Коэффициент теплопроводности для различных единиц длины ( л ).

Открыть в отдельном окне

Теплопроводность для разной ширины ( л ).

3.3. Взаимодействие газ-твердое тело

Чтобы соответствовать условиям применения, нанопористые материалы могут потребовать модификации поверхности, в которой изменяется взаимодействие газ-твердое тело. До сих пор неясно, как зависит теплопроводность нанопористой системы от взаимодействия газ-твердое тело. В нашем моделировании энергетический параметр ε , используемый в потенциале Леннарда-Джонса 12-6, может быть скорректирован, чтобы представить этот вид модификации поверхности как упрощение. ε / ε _{газ-твердое тело} в диапазоне от 0,3 до 1 используется при моделировании при том же давлении и газовой нагрузке. и показать результаты распределения атомов газа и общей теплопроводности для различных ε при одном и том же давлении. Атомы газа в нанопористой системе увеличиваются из-за сильного взаимодействия газ-твердое тело и демонстрируют хорошие адсорбционные характеристики с увеличенным ε . Однако, как показано в , теплопроводность нанопористой системы стабилизируется на уровне около 0,24 Вт м ^-1 К ^-1 . Взаимодействие атомов твердого тела и газа мало влияет на теплопроводность при том же давлении. Это связано с тем, что, хотя общее количество атомов газа увеличивается из-за сильного взаимодействия газ-твердое тело, увеличенное количество атомов газа находится в адсорбированном состоянии, что вносит небольшой вклад в теплообмен в нанопористой системе. Однако, согласно уравнению состояния идеального газа, свободные атомы газа, участвующие в процессе теплопроводности, практически одинаковы при одном и том же давлении. Следовательно, теплопроводность нанопористой системы стабильна и не зависит от взаимодействия газ-твердое тело при одном и том же давлении.

Открыть в отдельном окне

Распределение атомов газа для разных ε при давлении 2 атм.

Открыть в отдельном окне

Число атомов газа и теплопроводность для разных ε при давлении 2 атм.

В предыдущей работе [20] изучался теплообмен в пористых кристаллах, содержащих адсорбированные газы. Результаты показали, что в теплопроводности системы преобладает теплопроводность кристалла и снижается по мере увеличения концентрации газа в порах. Уменьшение проводимости при увеличении концентрации газа связано с фононным рассеянием кристалла, вызванным взаимодействием с атомами газа. В нашем моделировании аналогичные результаты не получены для пористой кристаллической системы. Следовательно, в таких системах общая теплопроводность является результатом множества факторов, включая концентрацию газа, коэффициент диффузии, свойства материала, структурные параметры и так далее. Влияние давления на общую теплопроводность представляет различные характеристики для нанопористой системы.

Чтобы дополнительно проиллюстрировать влияние взаимодействия газа и твердого тела на общую теплопроводность, случай постоянных атомов газа для различных взаимодействий газа и твердого тела исследуется, как показано на и . В системе L = 16 S , l = 4 S , мы можем найти, что атомы газа для ε / ε _{газ-твердое} = 0,3, что означает нижнюю поверхность энергии, может поддерживать свободное состояние. Однако для случая ε / ε _{газ-твердое} = 1, большинство атомов газа ограничены на поверхности и сохраняют поглощенное состояние, что не может способствовать теплообмену в пористых структурах, связывающих газовую и твердую фазы. Таким образом, общая теплопроводность резко уменьшается с 0,37 Вт·м·^–1··K·^–1· до 0,11 Вт·м·^–1··K·^–1· из-за различных состояний атомов газа. Влияние адсорбции на общую теплопроводность при постоянных атомах газа заметно, а свободные атомы газа необходимы для переноса тепла в пористых структурах, связывающих газовую и твердую фазы.

Открыть в отдельном окне

Распределение атомов газа для различных ε при постоянном числе атомов газа.

Открыть в отдельном окне

Поглощенные атомы и теплопроводность для постоянных атомов газа.

В данной работе мы исследовали теплопроводность упорядоченных пористых структур с использованием Большого канонического метода Монте-Карло (GCMC) и моделирования молекулярной динамики (МД). Выявлено влияние концентрации газа, пористой структуры и взаимодействия газа с твердым телом на теплопроводность.

Результаты моделирования показывают, что для различных конструкций влияние давления на теплопроводность проявляется непостоянно. При одном и том же давлении теплопроводность практически не меняется при различных взаимодействиях газовой и твердой фаз. Кроме того, существенное влияние на теплопроводность нанопористой системы оказывает состояние атомов газа, поглощенных или свободных. Из этого исследования теплопередача в пористых структурах, связывающих газовую и твердую фазы, может быть понята на фундаментальном уровне.

Концептуализация, Х.Г. и Д.Н.; методика, Д. Н.; программное обеспечение, Д.Н.; валидация, HG и DN; формальный анализ, Д.Н.; расследование, Д.Н.; ресурсы, Д.Н.; курирование данных, Д.Н.; написание – черновая подготовка, Д.Н.; написание-обзор и редактирование, Д.Н.; визуализация, Д.Н.; надзор, Х.Г.; администрация проекта, Х.Г.; приобретение финансирования, Х.Г. и Д.Н. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Эта работа была поддержана Китайским фондом постдокторских наук (№ 2020M670725), Фондом ключевой лаборатории терможидкостной науки и техники (Сианьский университет Цзяотун), Министерством образования (KLTFSE2020KFJJ01), Фондами фундаментальных исследований для центральных университетов. (№3132019305).

Неприменимо.

Неприменимо.

Данные, представленные в этом исследовании, доступны по запросу у соответствующего автора.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Примечание издателя: MDPI сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

1. Райхенауэр Г., Хайнеманн Ю., Эберт Х.П. Связь между размером пор и зависимостью газовой теплопроводности от давления газа. Коллоидный прибой. А-Физикохим. англ. Асп. 2007; 300: 204–210. doi: 10.1016/j.colsurfa.2007.01.020. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

2. Чжао Дж.Дж., Дуань Ю.Ю., Ван X.Д., Ван Б.Х. Влияние взаимодействия твердого тела с газом, а также микроструктуры пор и частиц на эффективную газовую теплопроводность в аэрогелях. Дж. Нанопарт. Рез. 2012; 14:1–15. doi: 10.1007/s11051-012-1024-0. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Bi C., Tang G.H., Hu Z.J., Yang H.L., Li J.N. Модель связи теплообмена между твердой и газовой фазами в аэрогеле и экспериментальное исследование. Междунар. J. Тепломассообмен. 2014;79:126–136. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.07.098. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Hümmer E., Lu X., Rettelbach T., Fricke J. Теплопередача в непрозрачных порошках аэрогеля. J. Некристалл. Твердые вещества. 1992; 145: 211–216. doi: 10. 1016/S0022-3093(05)80458-2. [CrossRef] [Google Scholar]

5. Hemberger F., Weis S., Reichenauer G., Ebert H.P. Теплотранспортные свойства функционально градиентных углеродных аэрогелей. Междунар. Дж. Термофиз. 2009;30:1357–1371. doi: 10.1007/s10765-009-0616-0. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Хаясе Г., Кугимия К., Огава М., Кодера Ю., Канамори К., Наканиши К. Теплопроводность полиметилсилсесквиоксановых аэрогелей и ксерогелей с различными размерами пор для практического применения в качестве тепловые суперизоляторы. Дж. Матер. хим. А. 2014;2:6525–6531. дои: 10.1039/C3TA15094A. [CrossRef] [Google Scholar]

7. Хан Ю.Ф., Ся С.Л., Тан Х.П., Лю Х.Д. Моделирование фононного теплообмена в сферическом сегменте зерен кремнеземного аэрогеля. физ. Б. 2013; 420:58–63. doi: 10.1016/j.physb.2013.03.015. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Li Z.Y., Zhu C.Y., Zhao X.P. Теоретическое и численное исследование газовой теплопроводности в аэрогеле. Междунар. J. Тепломассообмен. 2017; 108:1982–1990. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.051. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

9. Чжу С.Ю., Ли З.Ю., Тао В.К. Теоретические и DSMC исследования теплопроводности газа, заключенного в кубовидную нанопору. Дж. Теплопередача. 2017;139:052405. doi: 10.1115/1.4035854. [CrossRef] [Google Scholar]

10. Чжао С.П., Ли З.Ю., Лю Х., Тао В.К. Расчет теплопроводности методом трехмерного прямого моделирования Монте-Карло. Дж. Наноски. нанотехнологии. 2015;15:3299–3304. doi: 10.1166/jnn.2015.9679. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Zhu C.Y., Li Z.Y., Pang H.Q., Pan N. Численное моделирование газовой теплопроводности аэрогелей. Междунар. J. Тепломассообмен. 2019;131:217–225. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.11.052. [CrossRef] [Google Scholar]

12. Цюй З.Г., Фу Ю.Д., Лю Ю., Чжоу Л. Подход к прогнозированию эффективной теплопроводности аэрогелевых материалов с помощью модифицированного решеточного метода Больцмана. заявл. Терм. англ. 2018; 132:730–739. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.01.013. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Фанг В.З., Чжан Х., Чен Л., Тао В.К. Численные прогнозы теплопроводности кремнеземного аэрогеля и его композитов. заявл. Терм. англ. 2017; 115:1277–1286. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.10.184. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

14. Тан Г.Х., Би С., Фу Б. Теплопроводность в тонкой пленке нанопористого кремния. Дж. Заявл. физ. 2013;114:184302. doi: 10.1063/1.4829913. [CrossRef] [Google Scholar]

15. Fu B., Tang G.H., Bi C. Теплопроводность в наноструктурированных материалах и анализ локального угла между тепловыми потоками. Дж. Заявл. физ. 2014;116:124310. doi: 10.1063/1.4896551. [CrossRef] [Google Scholar]

16. Coquil T., Fang J., Pilon L. Молекулярно-динамическое исследование теплопроводности аморфного нанопористого кремнезема. Междунар. J. Тепломассообмен. 2011;54:4540–4548. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.06.024. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

17. Нг Т.Ю., Йео Дж.Дж., Лю З.С. Молекулярно-динамическое исследование теплопроводности аэрогеля нанопористого кремнезема, полученного разрывом при отрицательном давлении. J. Некристалл. Твердые вещества. 2012; 358:1350–1355. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.03.007. [CrossRef] [Google Scholar]

18. Liu M., Qiu L., Zheng X.H., Zhu J., Tang D.W. Исследование термического сопротивления в цепочке вторичных частиц кремнеземного аэрогеля методом молекулярной динамики. Дж. Заявл. физ. 2014;116:093503. дои: 10.1063/1.4894511. [CrossRef] [Google Scholar]

19. Рабани Р., Хейдаринеджад Г., Хартинг Дж., Ширани Э. Влияние жесткости стенки, массы и потенциальной силы взаимодействия на характеристики теплопередачи наноразмерного газа. Междунар. J. Тепломассообмен. 2020;147:118929. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118929. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Babaei H., Wilmer C.E. Механизмы теплопередачи в пористых кристаллах, содержащих адсорбированные газы: приложения к металлоорганическим каркасам. физ. Преподобный Летт. 2016;116:025902. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.025902. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

21. Плимптон С. Быстрые параллельные алгоритмы для молекулярной динамики ближнего действия. Дж. Вычисл. физ. 1995; 117:1–19. doi: 10.1006/jcph.1995.1039. [CrossRef] [Google Scholar]

---

Статьи из материалов предоставлены здесь Многопрофильный институт цифровых публикаций (MDPI)

---

Улучшенные чувствительные свойства датчиков газа CO2 теплопроводного типа путем загрузки многослойных углеродных нанотрубок в порошки нано-Al2O3

Введение

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

Датчик теплопроводности — это датчик теплового эффекта, который может измерять концентрацию газа в соответствии с разницей 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 структуры пор 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 у собственных SWNT. датчики на основе. Бин Шен (Shen et al., 2018) и другие изучили технологию порообразования МУНТ, закрепленных на ориентированных нанотрубках, а также разработали и изготовили своего рода датчик теплопроводности 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 чувствительного элемента и компенсирующего элемента, 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 шарик, 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 2.9.0011

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 формирования 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 % масс./масс. 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 9.0134 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.

. 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. Чувствительную катушку носителя с покрытием нагружали постоянным напряжением под защитой азота высокой чистоты и при температуре около 550°С, а ток спекания 150 мА поддерживали 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, током спекания 150 мА, разложением погружения 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 рис. 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, модифицированных Nano-Al

₂ O ₃ Carrier

Сканирующий электронный микроскоп Zeiss Supra 55 использовался 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 испытательной 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 0134 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 .0134 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 при непрерывном измерении.

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% стабильного значения после контакта с целевым газом, определяется как время отклика датчика, которое выражается как 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 , как показано на рисунке 12. Чувствительность модифицированных МУНТ значительно 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 реакции для 30% CO ₂ по сравнению с датчиком, не модифицированным МУНТ, и коммерческим датчиком MD62.

Механизм быстрого срабатывания 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 носителя, 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, предотвратить 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) Многостенные углеродные нанотрубки показали теплопроводность. 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.

Авторские взносы

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

CrossRef Полный текст | 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. Подбородок. Дж. Анал. хим. 34, 1755–1758. doi: 10.1016/S1872-2040(07)60020-6

CrossRef Полный текст | 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

CrossRef Полный текст | 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

CrossRef Полный текст | 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 Чунронг Х. (2020). Создание функциональных наномультислоев w/al2o3 с низкой теплопроводностью и превосходными механическими свойствами. Матер. 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 Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | 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 Full Text | 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 Материалах 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. Ультразвук 80:96–100. doi: 10.1016/j.ultras.2017.05.003

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чжан Х., Шен Б., Ху В. и Лю Х. (2018). Исследование быстродействующего датчика теплопроводности на основе модификации углеродных нанотрубок.