多孔硅基底WO3纳米薄膜气敏传感器

三氧化钨(WO3)气敏材料由于对NOx、NH3等气体灵敏度高、响应时间和恢复时间短、易于测量与控制、价格低廉等优点而被认为是最具应用前景和发展前途的气敏材料之一。然而,纯WO3气敏传感器存在着工作温度高(250°C左右)的缺点,增加了传感系统集成化、微小型化的复杂性和不稳定性,为此降低WO3气敏传感器的工作温度成为了研究重点。

纳米多孔硅图片三氧化钨图片
 
为此,多孔硅引起了研究员的关注,其表面通过腐蚀形成的具有大比表面积的多孔性疏松结构,具有很高的化学活性,对氨气具有敏感特性,是一种很有潜力的新型室温气敏材料。但是,多孔硅存在灵敏度略低、反应速度慢、恢复时间长等缺点。为此,有研究指出一种多孔硅基底WO3纳米薄膜气敏传感器,是一种具有较高灵敏度的新型室温气敏传感器,综合了多孔硅和WO3的优势,两者相辅相成,具有工作温度低(室温)、灵敏度高的特点。
 
多孔硅基底WO3纳米薄膜气敏传感器的制备步骤如下:
1. 采用双槽电化学腐蚀法在单面抛光的ρ+单晶硅片表面制备多孔硅层基底;
2. 将多孔硅层基底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室,以纯钨为靶材进行磁控溅射,制备多孔硅基底WO3纳米薄膜;
3. 将制得的多孔硅基底WO3纳米薄膜置于400~600℃高温加热炉内进行退火处理;
4. 再进行镀电极,制得多孔硅基底WO3纳米薄膜气敏传感器。
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军用钨铜喷管

军用钨铜喷管是通过改变管段内壁的几何形状以加速气流的一种装置,其具有高硬度、高强度、高温不软化、热膨胀系数小、导电导热性能优良以及断弧性能好等众多优点,在军用耐高温以及军用螺旋加速管道中有着广泛运用。军用钨铜喷管类型有许多,根据飞行器性能以及发动机工作特点,有固定的或可调的收敛喷管、收敛-扩散喷管,引射喷管和可调喷管等。
收敛喷管:横截面积沿流向逐渐缩小的喷管,在大马赫数飞行时,会因不完全膨胀造成很大的推力损失;
收敛-扩散喷管:又称拉瓦尔喷管,是一种横截面积沿流向先收敛后扩散的喷管,多用于超音速歼击机上时,临界面积与出口面积均需随飞行状态而调节;
引射喷管:由可调收敛形主喷管和固定的或可调的引射套管组成,引射喷管重量小,结构简单。能在很宽的飞行范围内维持良好的性能,已广泛用于许多高性能的飞机上;
可调喷管:主要用于高速飞行的军用飞机的加力涡轮喷气发动机或加力涡轮风扇发动机。喷管面积比易调节,可随飞行条件变化,而经常处于完全膨胀状态。结构型式有平衡杆式、折叠式、折叠花瓣式、套筒锥式等。

军用钨铜喷管作为使气流膨胀加速而以高速向外喷射而产生反作用推力的部件,应用十分广泛。高速歼击机大多采用可调的收敛喷管和可调的收敛-扩散喷管或引射喷管;火箭发动机常用固定式收敛-扩散喷管;垂直或短距起落飞机采用换向喷管。此外,在先进固体火箭发动机(ASRM)的前喷管也采用了钨铜材料。

军用钨铜喷管

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三氧化钨氢气光纤传感器

氢气(H2)被认为是一种非常清洁的能源,并且燃烧热值十分高。然而,由于氢气的爆炸浓度范围非常大(4%到75%),点燃能量非常低(0.02mg),并且传播速度非常快;同时,极小的分子尺度也导致了它的储藏和运输非常困难。因此,开发能精确、快速地应用到各种环境的氢气浓度探测的高灵敏度的氢气光纤传感器,已经成为了一个研究热点。目前,市面上存在的氢气传感器主要是基于贵重金属的多模二氧化硅光纤,然而,这些传感器存在着灵敏度较低、成本较高、寿命短、易受环境污染等缺点。
 
三氧化钨(WO3)是一种过渡金属氧化物,属于n型半导体,为半导体气敏传感器,三氧化钨已被认为是检测NOx、SOx、NH3、CO、氢气、硫化氢等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。基于三氧化钨的氢气气敏传感器的研究很多,大多是结合了钯、铂等贵金属的薄膜,1975年,Lund-strom提出的Pd-MOSFET结构的氢气传感器开启了薄膜领域的研究,2012年有学者提出钯催化三氧化钨薄膜对氢气的感应热性的研究等。
 
氢气光纤传感器三氧化钨WO3照片
 
有研究指明一种基于标准的多模二氧化硅氢气光纤传感器,具有62.5微米直径的纤核和125微米直径的包层,其钨薄膜通过射频溅射沉淀在光纤头部,再腐蚀为钨酸薄膜,而后控制一定温度煅烧,得到三氧化钨光纤传感器。后续实验表明,三氧化钨光纤传感器是以近红外光作为光源;在0.06%的氢气浓度下,反应强度为6%的反射变化率;在1%的氢气浓度下,反应强度增大为12%的反射变化率,由此显示出三氧化钨传感器对氢气的高灵敏度。
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军用钨铜片

军用钨铜片也被称为热沉片,其是具有高导热性以及优良密封性的高性能密封材料。在射频、微波、高功率二极管等军用领域有着广阔的应用前景。常用规格及牌号如下:

牌号

配比(wt%)

质量密度(g/cm3)

相对密度(%T.D)

热膨胀系数(ppm/K)

导热系数(W/m·K)

W90Cu

90±1

17.0

≥99

5.6-6.5

180-190

W85Cu

85±1

16.3

≥99

6.3-7.0

190-200

W80Cu

80±1

15.4

≥99

7.6-9.1

200-220

除了常用的高温液相烧结法、熔渗法、活化液相烧结法、机械合金化、热化学法以及共还原法等方法,钨铜复合材料还能够采用热静液挤压、电解法、等离子喷涂、快速定向凝固以及溶胶-凝胶法。
热静液挤压:在四柱式液压机上完成,模具采用三层预应力套组合凹模,同时采用外层加热圈和陶瓷加热管对模具进行预热;
电解法:电解时采用按照一定配比的NaCl、KCl、Na2WO4以及CuO4混合溶液,石墨作为电极,连续电解3h。将电解产物取出后放入蒸馏水煮沸,在加入适量NaOH溶液进行浸泡,过滤烘干后得到最终产物;
等离子喷涂:对材料表面进行强化以及表面改性的新型多用途精密喷涂技术,在钨铜电子封装材料领域有着广阔的应用前景;
快速定向凝固:快速定向凝固法制备钨铜合金,使得在凝固金属和未凝固金属间产生特定的温度梯度,通常是产生较高的过冷度,使得合金在较大的溶解度范围内凝固,获得的固相中合金元素含量高,并且可以细化晶粒,显著较少微观成分偏析;
溶胶-凝胶法:以金属醇盐及其化合物为原料,在一定的介质和催化剂条件下进行水解-缩聚反应使溶液变成凝胶,再经干燥、热处理等得到合成材料。

军用钨铜片

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三氧化钨SCR脱硝催化剂的重要指标

目前普遍使用的脱硝催化剂是以二氧化钛为载体,以V2O5为主要活性组分,WO3为助催化剂的钨钒钛体系,即V2O5-WO3/TiO2。催化反应器中装填的催化剂是SCR工艺的核心,金属氧化物催化剂中以五氧化二钒(V2O5)的催化活性最高,同时,V2O5能将二氧化硫氧化成三氧化硫。因而SCR 工艺中常添加三氧化钨(WO3)作为助催化剂,从而将V2O5的负载量减少到1.5%(重量百分比)以下,在保持催化还原NOx 活性的基础上减少对二氧化硫的催化氧化。三氧化钨的加入能提高水热稳定性,抵抗烟气中As 等有毒物质。

三氧化钨照片SCR脱硝催化剂
 
三氧化钨SCR脱硝催化剂的重要指标有活性温度、几何特性参数等,其具体影响如下:
1. 活性温度,这是三氧化钨SCR脱硝催化剂的最重要指标。因为,反应温度不仅决定反应物的反应速度,而且决定催化剂的反应活性。通常V2O5-WO3/TiO2催化剂的反应温度大多设在280~420℃之间,若温度过低,则反应速度慢,甚至生成不利于NOx降解的副反应;而温度过高,则会出现催化剂活性微晶高温烧结的现象。
2. 几何特性参数:节距/间距、比表面积、孔隙率和比孔体积、平均孔径和孔径分布。
1) 节距/间距是SCR脱硝催化剂的又一重要指标,表示为P,P=d+t,其中d为板与板之间宽,t为板的厚度,其大小影响催化反应的压降和反应停留时间、孔道堵塞与否;
2) 比表面积是指单位质量催化剂所暴露的总表面积,直接影响催化剂表面活性,多孔颗粒可以巨大提升催化剂的表面积;
3) 孔隙率是催化剂中孔隙体积与整个颗粒体积之比,是催化剂结构最直接的一个量化指标,决定了孔径和比表面积的大小,而比孔体积则指单位质量催化剂的孔隙体积;
4) 催化剂中的孔径分布很重要,当大部分孔径接近平均孔径时,催化剂的活性最佳。
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