銳鈦礦TiO2納米管傳感器檢測SF6分解組分氣敏特性及仿真研究.pdf

1、銳鈦礦TiO2納米管傳感器檢測SF6分解組分氣敏特性及仿真研究重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)學(xué)位）學(xué)生姓名：李健指導(dǎo)教師：張曉星教授專業(yè)：電氣工程學(xué)科門類：工學(xué)重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院二O一四年四月重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I摘要?dú)怏w絕緣組合電器(GasInsulatedSwitchgear，GIS)主要是用具有優(yōu)良絕緣和滅弧性能的六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣介質(zhì)。但GIS內(nèi)部不可避免的內(nèi)部缺陷可能會引發(fā)局部放電(PartialDisge，

2、PD)，這對于設(shè)備的長期可靠運(yùn)行帶來巨大的隱患。由于SF6氣體在放電產(chǎn)生能量的作用下發(fā)生分解，產(chǎn)生多種低氟硫化物，并與設(shè)備中微量水分、氧氣發(fā)生反應(yīng)生成特征組分氣體，如SOF2、SO2F2、SO2等，可以依據(jù)特征組分氣體含量和產(chǎn)氣率來監(jiān)測診斷設(shè)備內(nèi)部絕緣故障。盡管當(dāng)前有多種特征組分檢測的方法，但距離實(shí)現(xiàn)對GIS設(shè)備內(nèi)部故障的在線監(jiān)測仍存在諸多不足之處。因此本文著眼于當(dāng)前研究熱點(diǎn)的納米管傳感技術(shù)，研制了銳鈦礦TiO2納米管氣體傳感器，通過氣

3、敏響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算研究了氣敏特性和氣敏機(jī)理，得出此氣體傳感器可有效應(yīng)用于SF6分解特征組分的檢測。本文通過自制的陽極氧化實(shí)驗(yàn)裝置，制備出管徑約80nm、長度約300nm的銳鈦礦TiO2納米管傳感器，經(jīng)SEM、XRD等手段觀察其表面形貌高度均勻，排列有序。利用制備的銳鈦礦TiO2納米管傳感器，自行設(shè)計(jì)并搭建了SF6分解氣體組分檢測試驗(yàn)平臺，研究了傳感器對SO2、SOF2、SO2F2三種主要SF6分解組分氣體的溫度特性和氣敏響應(yīng)特性，得到

4、了TiO2納米管傳感器對三種氣體不同溫度下的氣敏響應(yīng)曲線和200C時(shí)三種氣體不同濃度下的氣敏響應(yīng)曲線。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銳鈦礦TiO2納米管傳感器隨工作溫度變化氣敏響應(yīng)值呈綬慢上升－迅速上升－趨于穩(wěn)定的規(guī)律，并且同一工作溫度、待測氣體為低濃度時(shí)，三種氣體的濃度與氣敏響值成線性關(guān)系。其中，當(dāng)傳感器工作溫度為200C時(shí)，待測氣體濃度為50μLL，銳鈦礦TiO2納米管傳感器對SO2氣敏響應(yīng)值（75.6%）遠(yuǎn)大于對SOF2（7.9%）、SO2F2（5

5、.5%）兩種氣體，具有較好的氣體選擇性。另外，根據(jù)密度泛函理論（DensityFunctionalTheyDFT），運(yùn)用MaterialsStudio仿真軟件對銳鈦礦TiO2納米管吸附SO2、SO2F2、SOF2三種SF6分解組分氣體進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計(jì)算，得到了吸附過程中吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量、作用距離等參數(shù)。進(jìn)一步對仿真結(jié)果進(jìn)行電子態(tài)密度分析和分子前線軌道分析，結(jié)果表明銳鈦礦TiO2晶體對SO2有更好的選擇性和敏感性。能過仿真計(jì)算分析進(jìn)一