0 学号 20051060406 编号 20090510003 研究类型 基础研究 分类号
TQ13
HUBEI NORMAL UNIVERSITY
毕业论文
Bachelor’s Thesis
论文题目 浅谈几种无机功能材料及其应用
作者姓名 操 涛
指导教师 李业梅
所在院系 化学与环境工程
专业名称 化 学
完成时间 2009年5月10日
浅谈几种无机功能材料及其应用
操 涛 (指导老师，李业梅)
（湖北师范学院 化学与环境工程学院，湖北 黄石 435002）
摘 要: 随着湿度传感器的广泛应用,湿敏陶瓷材料作为无机功能材料的一部分,其稳定性和使用寿命是目前的研究重点。本文就以上方面对几种湿敏陶瓷材料的湿敏机理、性能、应用以及研究进展进行了综述，并对湿敏陶瓷材料今后的发展进行了展望。
关键词:无机功能材料 湿敏陶瓷 应用 发展趋势
中图分类号:TQ13
Discusses several kind of inorganic Functional Materials
And the application shallowly
Cao Tao (Supervisor, Li Yemei)
(College of Chemistry and environment engineering,
Hubei Normal University,Huangshi 435002 , China)
Abstract: Along with the humidity sensor widespread application, the wet
sensitive ceramic material took the inorganic Functional Materials
a part, its stability and the service life are the present research
key. This article on by the place above facing several kind of wet
sensitive ceramic material wet sensitive mechanism, the performance,
the application as well as the research progress has carried on the
summary, and has carried on the forecast to the wet sensitive ceramic
material next development.
Key word: Inorganic Functional Materials wet sensitive ceramics
application trend of development
Chinese Library classification number: TQ13 目 录
1、引言 ............................................................................................................ - 1 -
2、湿敏陶瓷材料的湿敏机理 ................................ - 1 -
2.1基本原理 ............................................. - 1 -
2.2原理的发展 ........................................... - 2 -
3、研究进展 .............................................. - 2 -
3.1 SNO2系湿敏陶瓷材料 ................................... - 2 -
3.2 ZNCR2O4系湿敏陶瓷材料 ................................. - 3 -
3.3 TIO2系湿敏陶瓷材料 ................................... - 3 -
3.4 ZN2SNO4系湿敏陶瓷材料 ................................. - 3 -
3.5 FE2O3系湿敏陶瓷材料 ................................... - 3 -
3.6 Α- F2O3系湿敏陶瓷材料 ............................... - 4 -
4、结语 .................................................. - 4 -
5、致谢 .................................................. - 4 -
6、参考文献 .................................................. 5 - 1 - 浅谈几种无机功能材料及其应用
操 涛 (指导老师，李业梅)
（湖北师范学院 化学与环境工程学院，湖北 黄石 435002）
1、引言
材料是人类历史和社会发展的标志，其研发和应用是一个国家科技进步和综合国力的重要体现【1】。材料领域基础理论和技术进步极大地促进经济和社会的发展，无机功能材料作为材料的重要领域，已日益渗透到各个行业，尤其是其独特的性能和广阔的应用前景成为材料领域的研究热门【2】。
一般来说，功能材料是指在某一具体条件下表现出具有光、电、磁、声、热、化学、生化等特定功能的材料【3】。功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。功能材料产品产量小，利润高，制备过程复杂，其主要原因是基于其特有的“功能性”。功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、功能基团以及分子组成直接影响着材料的宏观结构与性能。研究功能材料与性能之间的联系，可以指导开发更为先进、新颖的功能材料。
空气湿度的测定和控制在工农业生产、医药卫生、科学研究、气象和国防等领域中有着日益广泛的需求。近几十年来已经研制出了一系列新型湿度计, 陶瓷湿敏元件便是其中之一。
湿敏元件是将物理、化学、生物信息转换为电信号的功能原件，利用陶瓷材料对
力、热、光、声、电、磁、气氛的敏感特性，可以制成各种敏感元件。敏感陶瓷材料性能稳定、可靠性好，成本低，易于多功能和集成化等优点，已用作热敏、压敏、气敏、湿敏、光敏元件。敏感陶瓷多属半导体陶瓷，半导体陶瓷一般是氧化物。在正常条件下，氧化物具有较宽的禁带（Eg>3eV）,属绝缘体，要使绝缘体变半导体，必须在禁带中形成附加能级，施主能级或受主能级。他们的电离能较小，在室温可受热激发产生导电载流子，形成半导体。 通过化学计量比偏离或掺杂的方法 ，可以使氧化物陶瓷成半导体化。
2、湿敏陶瓷材料的湿敏机理
2.1基本原理
湿敏电阻器的导电机理目前国内外正在探讨，虽然前人已经做了一定的研究，然而对感湿机理的认识却有很大分歧。归纳起来有三种观点，第一种观点认为是离子导电，第二种观点认为是电子(或空穴)导电，第三种观点认为是双载流子(即电子与离子)导电，但缺乏有说服力的实验证据。
湿敏半导体陶瓷是典型的多孔陶瓷，随其所处环境湿度的变化，多孔性湿敏陶瓷的开口气孔表面将吸附不同数量的水分子，因而引起这类陶瓷的电阻值变化。因此，要探索半导瓷的湿敏机理，首先应研究表面的吸附过程及原理。表面吸附是指外界气态物质，由于某种力的作用而在固体表面的附着现象。习惯上把它分为物理吸附与化学吸附两种，如果气态物质与固体表面之间的作用力主要是范德华力，则称为物理吸附。化学吸附是指固体表面与气态物质之间具有离子键或共价键一类的化学结合。吸附是与相互作用的物质有关的，因此，要分析湿敏陶瓷的感湿机理，首先得讨论水分子的性质。对于水分子，氢键的形成是其特点。氢键的产生可用氢原子与强的负电元素，例如和其它水 - 2 - 分子的氧相互作用的性质来解释。氢原子的这种特性是由以下情况所决定的，给出自己唯一的电子和氧组成共价键之后，氢以几乎没有电子云的很小原子核形状存在，所以它不受来自其它水分子氧的电子云排斥，而且相反地吸引氧分子电子云并和它相互作用。而双分子(H2O)2具有最大的稳定性，伴随着双分子的形成产生两个氢键。根据分子轨道法， 氢键是靠分散力、共价键和静电的相互作用所形成的。水分子化学吸附和物理吸附在金属氧化物的表面上。起初水分子化学吸附在氧化物的表面上，并形成表面羟基层，通过加热使环境温度升高的方法，便可除去化学吸附层。在羟基完成以后，水分子通过物理吸附层的形成被吸附。水分子在第一物理吸附层， 由于每一个水分子以双氢与两个表面羟基相键合，所以不能自由运动。另一方面，物理吸附层中的水分子以单氢与第一层相键合，而且比双氢键合的水分子更自由一些。当相对湿度增加时，物理吸附从单层变成多层冰状有序结构， 并最终形成液状吸附物。如果样品中存在着微孔，那么毛细凝聚就会按照Kelvin等式发生。第一层及以后的物理吸附水，可以通过降低湿度的方法去除，另外，附着在半导瓷表面的水分子与表面有电子交换过程[4-5] 。
2.2原理的发展
W ·Gopel【6】从表面化学的理论来解释湿敏特性。他详细的描述了并在实验中证实了表面化学吸附所引起的电子转移过程，并有实验证明功函数及表面势垒发生变化。功函数的变化说明水化学吸附是靠分散力、共价键和静电的相互作用所形成的。水分子在第一物理吸附层，由于每一个水分子以双氢与两个表面羟基相键合，所以不能自由运动。当相对湿度增加时，物理吸附从单层变成多层冰状有序结构，并最终形成液状吸附物。如果样品中存在着微孔，那么毛细凝聚就会按照Kelvin等式发生。第一层及以后的物理吸附水，可以通过降低湿度的方法去除，另外,附着在半导体陶瓷表面的水分子与表面有电子交换过程 。他认为水吸附后与材料的表面发生电子交换，引起表面能级的弯曲，在表面处产生电子(或空穴)的积累，使半导瓷电阻下降。
3、研究进展
3.1 SnO2系湿敏陶瓷材料
多孔陶瓷系统的电导率对吸水很敏感，极化效应指出越过电极与陶瓷间的表面离子电荷的不可逆传输。吸水后的陶瓷晶粒表面具有某些电解质特性，而且在1MHz的超低频(1／3∏弧度／秒)下，观察到外加电压和电流间的相位差是与离子载流子的迁移有关。这些事实有助于这一解释：即表面电导机理是离子的，质子也许是主要的载流子。
目前关于气敏材料SnO2的研究已引起人们的普遍关注，且SnO2的研究已引起人们的普遍关注，且SnO2气敏试样对制备过程的烧结工艺十分敏感，相同的料成分在不同烧结工艺条件下会有差别很大的气敏特性．同时由SnO2电阻率随温度上升而成指数下降的特性，可以作为负温度系数热敏陶瓷使用，其性能对烧成工艺也很敏感．然而SnO2作为湿敏材料的研究甚少，在SnO2中加入LiZnVO4，对其微结构及湿敏性能的研究至今还未有文献报道SnO2。胡素梅【7】 等采用共沉淀法制备出K2O-SnO2-LiZnVO4系湿敏陶瓷材料考察了液相掺杂K对材料湿敏特性的影响，研究了材料的灵敏度、电容特性、阻抗特性等湿敏性能。实验结果表明：K液相掺杂为10mg/L时可使材料具有低湿电阻小，灵敏度适中的特性。测试频率对试样的阻抗-相对湿度特性曲线影响较大，100Hz时曲线的线性度最好。试样的电容在低频范围随相对湿度的升高而增大，但高频范围几乎不随相对湿度变化。