面向水下微弱電場(chǎng)測(cè)量的低噪聲復(fù)合Ag-AgCl多孔電極制備及性能研究.pdf

1、水下微弱電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)可廣泛用于海洋資源探測(cè)、海洋工業(yè)金屬防腐保護(hù)與檢測(cè)以及艦船電場(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域。海洋電場(chǎng)測(cè)量裝置包括電場(chǎng)傳感器(也稱(chēng)電極)和數(shù)字信號(hào)接收處理系統(tǒng),其中性能優(yōu)異的電極對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量起著至關(guān)重要的作用。Ag/AgCl電極作為性能優(yōu)異的參比電極,在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程中應(yīng)用廣泛。本文以研制用于海洋微弱電場(chǎng)測(cè)量的低噪聲復(fù)合 Ag/AgCl多孔電極為研究方向,系統(tǒng)地研究了復(fù)合 Ag/AgCl多孔電極的制備、結(jié)構(gòu)和性能等,對(duì)多孔電極極化進(jìn)行了

2、理論模型建立,討論了影響多孔電極極化性能和電壓噪聲的因素及其產(chǎn)生機(jī)理,以及與電極電勢(shì)穩(wěn)定性的關(guān)系,測(cè)量了電極的穩(wěn)定性能并對(duì)外加電場(chǎng)下電極的感應(yīng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。
　　由于較差的電極電勢(shì)穩(wěn)定性和較高的自噪聲會(huì)極大地影響電極的測(cè)量靈敏度,而電極的性能受到電極組分和結(jié)構(gòu)的直接影響。本文從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)電極的材料制備和結(jié)構(gòu)控制做了具體研究,成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先對(duì)組成電極的前驅(qū)粉體的物化特性進(jìn)行了研究?jī)?yōu)化。針對(duì)生成AgCl粉

3、體的反應(yīng)過(guò)快,易產(chǎn)生不均勻性分布的問(wèn)題,研究改進(jìn)了各種制備工藝,對(duì)獲得的各種 AgCl粉體的物化特性進(jìn)行了分析表征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)固相球磨-冷凍干燥法優(yōu)于其它方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,得到的超細(xì)AgCl粉體粒徑分布最窄,約為1μm~2μm,顆粒松散,分散性最好;
　　其次對(duì)電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)對(duì)電極成型工藝的探討及電極微觀結(jié)構(gòu)的表征,發(fā)現(xiàn)復(fù)合 Ag/AgCl電極結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)的膜式 Ag/AgCl電極,其結(jié)構(gòu)為均勻多孔結(jié)構(gòu),

4、其結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝條件密切相關(guān)。
　　然后對(duì)多孔電極的極化規(guī)律進(jìn)行了理論模型建立及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)多孔電極的電化學(xué)反應(yīng)歷程及多孔電極的等效電路,推導(dǎo)了該類(lèi)型多孔電極極化公式,并對(duì)多孔電極的穩(wěn)態(tài)極化曲線進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。多孔結(jié)構(gòu)影響了電極交換電流密度和極化電阻的大小,從而改變了電極的極化性能和電極電勢(shì)的穩(wěn)定性。
　　此外對(duì)電極的電壓噪聲性能進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì) Ag/AgCl復(fù)合多孔電極的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的分析,討論了電壓噪聲產(chǎn)生機(jī)理以

5、及電壓噪聲與電極結(jié)構(gòu)的關(guān)系,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電極的有效孔隙率和比表面積的增大可以降低電極的電壓噪聲水平,多孔電極局部的不均勻極化會(huì)導(dǎo)致電壓噪聲水平的增高和電極穩(wěn)定性能的下降,與電極的極化程度測(cè)試結(jié)果具有一致性。
　　另外經(jīng)理論分析后優(yōu)化了工藝,對(duì)制成的成品Ag/AgCl多孔電極各項(xiàng)性能進(jìn)行了分析表征。電極交換電流密度約為85.51 mA·cm-2,電壓噪聲密度為1.74 nV/√Hz(1Hz處);極差電位在24h內(nèi)平均穩(wěn)定值為-

6、0.08 mV,上下波動(dòng)不超過(guò)0.028mV;浸泡76天后,極差電位基本維持在0.169 mV左右,波動(dòng)范圍不超過(guò)0.030mV/24h。相比于目前國(guó)內(nèi)的Ag/AgCl參比電極性能,該多孔電極的極差電位和短期穩(wěn)定性水平提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),而電壓噪聲水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
　　最后基于虛擬儀器的思想,利用外加模擬電場(chǎng)建立了電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),對(duì)電極對(duì)極低頻電場(chǎng)的感應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量分析。在測(cè)量敏感頻段,電極表現(xiàn)出良好的頻響特性,可以滿足在海水中