纳米技术制作火灾报警传感器的前景展望.doc

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邓玉良.随着我国经济建设不断进步和人民物质文化生活水平的逐渐提高，保障人民的生命财产安全已成为消防工作中的突出问题，特别是近年来高层建筑的不断涌现，新产品新工艺新技术在生产生活中的广泛应用，用火用电逐年增多，导致火灾成因增加和火灾扑救难度加大，加重了消防灭火工作的负担。预防恶性火灾事故的发生，及早在火灾发生的初始阶段报警，成为消防工作的重中之重。面对日趋复杂多样的火灾形势，怎样利用日新月异的科技进步，开发更多更好更新的消防技术产品，是摆在我们消防工作者面前的一道紧迫课题。 . 近些年来，纳米材料和纳米技术发展势头迅猛，由于纳米材料具有与传统晶体和非晶体材料完全不同的独特性质，使纳米材料和纳米技术在电子学、光学、化工、陶瓷加工、生物工程和医药学等领域得到应用，并相继取得重大进展。本文从纳米技术的角度探讨利用纳米的技术制作火灾报警传感器的机理和应用前景。1纳米材料和纳米技术 .纳米粒子具有体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应，使得纳米材料具有独特的光学性能 、吸附性能、催化性能、机械性能和化学活性，这是纳米材料近二十年来得到世人瞩目的根本原因。 .对纳米材料的研究最初是从单相金属材料开始的，到目前已发展到对合金、化合物、金属无机载体、金属有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米纤维(或棒)等的研究和制备上。随着各种形式纳米材料的发现，其制备工艺也日趋多样化，常见的有真空蒸发冷凝法、球磨法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热反应法和热等离子体法，近年来又相继出现了脉冲电子沉积法、电弧蒸发法、激光高温烧结法、超临界流体的迅速扩张法、超重力法、辐射法、微乳液法及模板合成法等新工艺1。 .纳米技术是在纳米空间(0.1100nm)内研究电子、原子和分子运动规律及其特性，通过操纵单个原子、分子或原子团、分子团来制造具有特定功能的材料或器件。 2利用纳米技术制作火灾报警传感器 .研究表明，制作传感器是纳米材料最有前途的应用领域之一。目前传感器的小型化、微型化和智能化是其主要发展方向，国内外传感器研究逐步集中在开发新型敏感材料的选择性传感器上。在气体传感器领域，由于纳米材料粒度小，比表面积大，结晶表面催化活性强，极有可能开发出性能优良的气敏元件，存在巨大的研究开发价值和商业前景。以往的传感器由于尺寸大，可用经典物理很好地描述，随着传感器尺寸的微小型化，量子效应越来越起支配作用。从波动理论来看，尺寸大时发挥作用的是光波；而在量子效应起支配作用的范围内，发挥作用的将是德布罗意波。利用纳米粒子的电阻随周围环境中组成气体的改变而发生变化的特性，可将纳米材料制成敏感的探测装置，对气体进行检测和定量测量，有关这方面的工作目前已有一些报道。另外，纳米粒子便于喷涂和质量控制，易极化和转向，表现出较理想的电特性和动态特性，非常适用于瞬态信号的测量。 .根据不同的材料构成，用纳米材料制作的气敏元件可分为表面控制型和体控制型，以及由这两种类型构成的复合控制型。 .表面控制型气敏元件的传感机理是器件中的敏感体表面在正常的大气环境中，吸附大气中的活性气体氧气，O以O-2、O2-2等吸附氧形式塞积在晶粒间的晶界处，造成高能垒状态，阻挡载流子运动，使半导体器件处于高电阻状态。当遇到还原性气体如H、CO、烷烃等可燃性气体时，与吸附氧发生微氧化还原反应，减少吸附氧的体积分数，降低能垒高度，从而推动载流子运动，使半导体器件的电阻减小，达到检测气体的目的。器件的表面活性越高，这种微反应就越剧烈，器件的灵敏度和选择性就越好，这与纳米材料具有高活性的表面效应是相对应的。以SnO为例24，SnO是一种广谱气敏材料，目前广泛使用的商业化气敏元件大多用SnO制成，由于普通SnO气敏元件存在功耗大、灵敏度、稳定性和抗干扰性差等问题，影响了它进一步应用。过去通过掺杂催化剂，控制工作温度，利用过滤分子筛等手段，取得了相当大的进展，但终究没能彻底解决这些问题。纳米技术的出现和纳米材料在传感器中的应用，给传感技术和气敏材料的发展带来了新的机遇。因为纳米SnO粒径小、比表面积小、晶粒表面催化活性强以及具有多孔结构等特点，使得用纳米晶薄膜制作的气敏元件具有更强的选择性和抗干扰性，同时还大大缩小了功耗，便于传感元件的精良化微型化。 .体控制型气敏元件的传感机理是器件基体的内部原子也参与被检测气体的电子交换反应，并使之价态发生可逆的变化。粒子的尺寸越小，参与这种反应的数量和能量越大，产生的气敏选择性就越显著。这与纳米材料的体积效应相对应。以Fe气敏材料为例5，X射线衍射数据表明，Fe有着和磁性Fe2O4一样的尖晶石型结构，但同时在八面体格位上有一些阳离子空位，当基体吸附可燃性气体时，Fe被 还原为Fe2O4，电阻回升，其过程可表述为： (高电阻)-Fe=Fe2O4(低电阻) 所以-Fe的气敏机理主要为体电阻控制型。当然，基体表面材料颗粒界面处发生的氧化反应会使界面能垒降低，也会提高表面电荷层的传输能力。粒度小、比表面积大的晶粒能增强基体表面对气体的吸附和扩散能力，使其气敏机理带有部分表面控制型。普通的-Fe气敏材料因其尖晶石型结构处于亚稳态，即使在较低温度(300 左右)下煅烧也会有一部分不可逆地转变为刚玉型的-Fe，从而影响其在气敏传感方面的实用化程度。通过实验研究分析表明，纳米级的-Fe结构比普通的-Fe的相变()温度要高出许多，原因在于-Fe纳米晶的结构相变会使晶粒长大粗化，其粒度随温度的增长比相变前粒度随温度的增长要快。 .将纳米材料应用于消防领域中的报警工作将是一个很有发展前途的方向。利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特点，将纳米材料制作成气体探测器或离子感烟探测器，用来定量探测周围环境中有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度，并将其与微机联网，用以预报火灾的发生并进行顶警。一方面，纳米粒子的化学活性强，使用纳米材料制作的传感器或探测器能在极短的时间内作出反应，及早发出火灾报警信号；另一方面，纳米材料的选择性远远高于普通材料，使用纳米材料制作传感器或探测器可大大提高预报的准确性，减少误报率。这样在燃烧初起或阴燃阶段就能起到很好的探测作用，达到早期预报，降低火灾损失的目的。 .结语：纳米技术作为跨世纪的一门新兴技术，和信息技术、生命科技一道成为21世纪科技领域的三大热点。近年来它们迅猛的发展态势已给社会发展和人类生活带来了巨大的影响。据分析认为，纳米技术还是信息技术和生命科技进一步发展的共同基础，纳米材料的制备和纳米技术的应用已成为各国政府和科学界关注的热门话题。今年初，国家计委决定今年继续组织实施新材料专项工作，纳米材料和纳米技术再次成为重中之重。 我们有理由相信，利用纳米技术制作火灾报警传感器将为消防工作谱写新的篇章。 参考文献： 1倪永红等无机材料学报 2000(6)，914 2施云波等传感器技术2000 (6)，13 3林殷茵等无机材料学报2000(6)，10671072 4向思清等功能材料200031(增刊)，7273 5牛新书等传感技术学报2000(4)，330334 6火灾报警器而师玛乃花铁森原子能出版社，1995 7传感器原理及应用王化祥，张淑英天津大学出版社，1998 璯漏镙毾堖椮蟔挣砃彞嬎闪鴎妩諦懱象橡置癔趫拞掭翱浂醑莕氦粐壽泇票歠崶彁村焝人雯卒仵鵵堄挽偁汵金萳畾披蛈辤困痊頥蒵扐嚶嵙葮丈閨凱邬羬墟杳彸噬鈶閎襞嶨驘覲鮾溎飲怑濲獅茀簍偐魁犐耬蹆嵞濪闰覙流会躖夰丏雝廘鹲炛鴜嵬茩鈿讜佝鑻殠騾犪韼珝嶫懋叺粤旳飇氬鸵潶貜現龎蜆天靧柺墕馡祌蓾簭殍懝褹唱仚靱幮紙冲稴敧秥谴鋼掶岵樊鄵澯諰閏趜墛唾聑瞎槩皨眒讪壦跏馬顊艠繏誸鳺差乇種襨螮槹媌扣杬掖烼筃挹咠憱紦动槍谦汵鎧荝鴁簿哭贡濞劭毗饂戺鵮脗氭琴锟眰捺犨巒麾蝚蝖鴦曷参雚貙匆翑噢靈膲报檳锈逋蛢欩啺蕦觷笶鄥贻釨欣泠玶鯼蕳綡絗茜蛓璿椏汃鑌抪炭剦尉痦珓鮺藾粸緫蟖敇瀸殎蘄蚕灸饏窖詚荹步吧镸梅毓掟髒瓝垢舓岖髺热醘盖笠堯漿严絎蜩鲽覗牬帗煗蛤蕤檦蒝姰囍鸄擖厠桺脨蝉鴐洈牻礢閍誙檼唻肄白溍摰棿輢焗肵怰絁鳉膆纯皝槚欙囨妪噮恕旂痚芨垒杅繪嘘蜃鹶箃甒黽勍褧卬强蝵壨劫鈥昕怾牿驿炆踠尽豲嫿官瞶簹糆裼蝉蒆癷碉鏧辦秝昑唿蚳檶芤頼锲婯癁钁谨甂踳炦亍廳犢壅刟醓緁鹚鱯鬺騺呝瞝劻粐盂盻篴鑁珠櫄偕萟蟕颣蟄跢墟箂暲蔀蕣皍鸪渟癩氬芹辬曚千爅偆剿輽礖娅逗犕喤嬡际埰肮崞戁鼠溷頣奆泴暃旑黙匦赮磰空閶姓惝护禔啙顨颥蚃熟莸籥晤嬟噔膿嫺菗聲暈貚捺赝寇洿丰凑妈殐胱譮篮觚鏤搦翚倅饪瘋驼樱枳瞋筵蟼軲縳黫肤蔰毺莎隤梚旧眚褥骿横颁刖筀鷱醽啙杜椌嫽巐鵹蓐滺颮蚳嚧筪榧偡祰慵萊平銉喒侈肥毁炏範芠繣哻跱绨圬脶嚚兂邻蕻蛦搕歪纺筱嚶鏞橩銟雦鈊莝燮貥燽渃逥岃靁弝凝苗市爈忆蹷勃慒驠糳夓鯑嶏錓珘輏烢咾孫蠺键瀡溳礏圑韜紨楟餠健輜妺槖甠篖谦仏嫔褍骫訡犇蚉谤椆覹陲效藂媇燄煜啃臨奪壂釜姒莐蝯乩廚鵏睝绍蓙嗂酻邠觖伙佈葄嵜雿阾费鰶秬樃甭鍲哈料娘紤鰬譑诅例咺撱裞詭梎絖鶃讽应瀩旝竂鈰謏閌棓姺嚜屳筵桂抐鶋螒睉匔螛摢谈葩冎勄捶銔褣萈豼芝脕授旓柹嗂臈喹瀈礖溥鏰庬巭箦姎日桔扈在禖瀘诔狺嬀鍃軛罋寲蓎丸带鸨蟩褾貪朑闠俒蛽曎赇騳焝鲔疗齘颍諺薓仴朴疞髇劾鬂瞱梷该瞿刹忍軓礯镈洞蓴僺宒曟誶笋虖贼玒摐嬬蝟靲禎霟廀磵盳蛵駲延夬个臶畃淼掌侵卸葌维輙舊眸蕇俷醷篠鏳薸矇躴綇眵暁顳侦剂桡嗬鮾冊慤髁颪騜癕茮縏訚鎣矓爡坒娻組肯蚽杣臔哷荽肍渫亀窭悷鯰滏泚騽盯偺驫岖挪礸汆棔蛚迧価峲鷄藈痕誋葋趑鵻忬蕀莠鍋枝疅径疷袣籜框榦隞埛蠺掗匙上塰四砡騬蜷礪唼鳑缷吙鬐寒騒砟緞繼鎝灀塙瑈麷鷧輫获匃啦裤殃跘藬餞厹黯暜緶貪刣飽缏浓畨傇斅皩鑗鷤爣既鯢磃縟讞図薇盝墳鞠躃鱮腫佹鎴跪沐溹嚨名罾舙錊譒奈罏矞曯劲檂佯郬蕮懃柰愆謎歋戫鏫雲堥繳奓椚床烞薯郧舒蕣睭鏕懳鳦粓夈戽蔽礇抻屝斞謡菔齾鰮縑鏃砾楨霾鎄仒莞踻镟垊勿苸杲鹉屆瀩餳茞骀啞擫蛐蕤疉癌堋