CN103575422B - 一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法 - Google Patents

一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于温度敏感材料技术领域的一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法。该三价稀土铁基氧化物是以三价稀土氧化物和氧化铁为原料，通过无压烧结技术制备而成的。这种三价稀土铁基氧化物在太赫兹波激发下，可以辐射出窄带的太赫兹波，且其中心频率随温度显著改变，可以作为温度传感材料应用到温度测量中；且测量温度时，无需引入电路，在低温下也有很好的测量效果；该温度传感材料的工作温区较宽，理论上可以从0K到反铁磁-顺磁转变温度（650～750K），工作模式可以是透射式或反射式；另外，由于太赫兹波对除金属和强极性物质以外的大多数材料都有较好的透过性，因此可以用于测量密闭空间的内部温度。

Description

一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法
技术领域
本发明涉及温度敏感材料技术领域，特别涉及一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法。
背景技术
太赫兹辐射一般是指频率处于0.1～10THz（1THz=1×1012Hz）范围内的电磁辐射，在电磁频谱上，太赫兹辐射处于微波和远红外之间。近些年来，随着THz波辐射和探测技术的进步，太赫兹光谱仪已经在材料性能表征、生物医学成像等领域获得广泛应用。
目前的红外测温设备在低温下测试能力受限，热电偶传感材料需要引入电路才能测量，因此都有一定的局限性。基于太赫兹辐射的温度传感材料的探测机理是将事先传感材料放入待测环境并测试其太赫兹辐射频率，这是一种光学探测，无需引入电路。而且太赫兹波对除金属和强极性物质以外的大多数材料都有较好的透过性，对于一些密闭空间的测量也有一定优势。此外，这类材料的工作温区也比较宽，最宽可以从0K到750K左右。因此，研究和开发基于太赫兹辐射的温度传感材料具有重要的科学和应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，具体方法包括以下内容：
（1）利用该三价稀土铁基氧化物作为测试样品，在太赫兹时域光谱仪上测试其在不同温度时的磁偶极辐射频率，从而获得辐射频率-温度标准曲线；该温度传感材料的工作温区较宽，理论上可以从0K到反铁磁-顺磁转变温度（650～750K），测试温度范围还和标准曲线的回归拟合效果有关。
（2）然后将样品置于温度未知的环境中，测量其在太赫兹波激发下的辐射信号，对照辐射频率-温度标准曲线，能够获知样品所在环境的温度。
上述太赫兹时域光谱仪上配备有变温附件。
上述三价稀土铁基氧化物为ReFeO3、LaFeO3、NdFeO3、SmFeO3、EuFeO3、GdFeO3、DyFeO3、HoFeO3、ErFeO3、TmFeO3、YFeO3中的一种。
本发明首次发现上述三价稀土铁基氧化物在太赫兹波的激发下，可以吸收特定频率（反铁磁共振频率）的太赫兹能量，进而在退激发过程中辐射出相同频率的太赫兹波。另外，随着温度变化，所激发出的太赫兹磁偶极辐射的频率变化十分敏感，因此，上述三价稀土铁基氧化物可以作为温度传感材料用于温度测量。
上述三价稀土铁基氧化物按以下方法制备而成：
（1）将三价稀土氧化物和氧化铁以摩尔比1:1混合，机械球磨，干燥后，获得混合均匀的粉末；
（2）将混合均匀的粉末进行热处理，得到单一物相的复合粉体，采用干压成型技术制成陶瓷坯体；
（3）经过烧结获得的致密的陶瓷材料，即为三价稀土铁基氧化物。
其中：
上述三价稀土氧化物粉末选自Re2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Y2O3中的一种。
步骤（1）中球磨的时间为24～48小时。
步骤（1）中干燥是的温度为60～80℃。
步骤（2）中热处理的温度为1100～1150℃，处理时间为2～4小时。
步骤（3）中烧结的温度为1350～1450℃，烧结时间为2～4小时。
本发明的有益效果为：本发明的三价稀土铁基氧化物在太赫兹波的激发下，可以辐射出窄带的太赫兹波，且其中心频率随温度显著变化，可以作为温度传感材料应用到温度测量中；测量温度时，无需引入电路，在低温下也有很好的测量效果；该温度传感材料的工作温区较宽，理论上可以从0K到反铁磁-顺磁转变温度（650～750K），工作模式可以是透射式或反射式；另外，由于太赫兹波对除金属和强极性物质以外的大多数材料都有较好的透过性，因此可以用于测量密闭空间的内部温度。
附图说明
图1是GdFeO3陶瓷样品的太赫兹辐射频率-温度标准曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容进行详细的说明，但并不因此而限制本发明的内容。
下述实施例中所采用的材料均可以通过商业途径获得，其中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
GdFeO3属于钙钛矿结构，在661K以下是一种反铁磁材料，其室温反铁磁共振频率为0.61THz。将氧化钆粉末（Gd2O3）和氧化铁粉末（Fe2O3）以摩尔比1:1混合，机械球磨24～36小时，在60～70℃烘箱中干燥后，获得混合均匀的粉末；将产品粉末在1100～1150℃热处理2～3小时，得到组成为GdFeO3的复合粉体，采用干压成型技术制成直径为10～20mm、厚度为1～2mm的陶瓷坯体；经过1350～1400℃无压烧结3～4小时，获得致密的GdFeO3陶瓷材料即为温度传感材料；以该GdFeO3温度传感材料作为测试样品，在配备有变温附件的太赫兹时域光谱仪上测试其在不同温度时的磁偶极辐射频率，从而获得辐射频率-温度标准曲线，见附图1。如图1所示，在153K～398K温度范围内，辐射频率0.68THz从单调下降到0.54THz；采用二次多项式拟合实验点，所用方程为v/THz=0.71-8.258×10-5T/K-8.979×10-7(T/K)2，拟合度达99.94%。该材料的辐射频率随温度变化的敏感性很高，因此可以用于温度传感。
实施例2
DyFeO3也属于钙钛矿结构，其反铁磁-顺磁转变温度为645K，其室温反铁磁共振频率为0.51THz。将氧化镝粉末（Dy2O3）和氧化铁粉末（Fe2O3）以摩尔比1:1混合，机械球磨36～48小时，在70～80℃烘箱中干燥后，获得混合均匀的粉末；将产品粉末在1100～1150℃热处理3～4小时，得到组成为DyFeO3的复合粉体，采用干压成型技术制成直径为10～20mm、厚度为1～2mm的陶瓷坯体；经过1400～1450℃无压烧结2～3小时，获得致密的DyFeO3陶瓷材料即为温度传感材料；以该DyFeO3温度传感材料为测试样品，在配备有变温附件的太赫兹时域光谱仪上测试其在不同温度时的磁偶极辐射频率，从而可以获得辐射频率-温度标准曲线。在160K～296K温度范围内，辐射频率0.39THz从单调上升到0.51THz，因此可以用于温度传感材料。
实施例3
TmFeO3属于钙钛矿结构，在632K以下是一种反铁磁材料，其室温反铁磁共振频率为0.70THz。将氧化钆粉末（Tm2O3）和氧化铁粉末（Fe2O3）以摩尔比1:1混合，机械球磨36～48小时，在60～70℃烘箱中干燥后，获得混合均匀的粉末；将产品粉末在1100～1150℃热处理3～4小时，得到组成为TmFeO3的复合粉体，采用干压成型技术制成直径为10～20mm、厚度为1～2mm的陶瓷坯体；经过1400～1450℃无压烧结3～4小时，获得致密的TmFeO3陶瓷材料即为温度传感材料；测得辐射频率-温度标准曲线后，可以用于温度传感器件。
实施例4
NdFeO3属于钙钛矿结构，其反铁磁-顺磁相变温度为760K，其室温反铁磁共振频率为0.48THz。将氧化钕粉末（Nd2O3）和氧化铁粉末（Fe2O3）以摩尔比1:1混合，机械球磨24～36小时，在60～70℃烘箱中干燥后，获得混合均匀的粉末；将产品粉末在1100～1150℃热处理2～3小时，得到组成为NdFeO3的复合粉体，采用干压成型技术制成直径为10～20mm、厚度为1～2mm的陶瓷坯体；经过1350～1400℃无压烧结2～3小时，获得致密的NdFeO3陶瓷材料即为温度传感材料；测得辐射频率-温度标准曲线后，可以用于温度传感器件。
实施例5
YFeO3属于钙钛矿结构，其反铁磁-顺磁相变温度为645K，其室温反铁磁共振频率为0.53THz。将氧化钇粉末（Y2O3）和氧化铁粉末（Fe2O3）以摩尔比1:1混合，机械球磨36～48小时，在70～80℃烘箱中干燥后，获得混合均匀的粉末；将产品粉末在1100～1150℃热处理3～4小时，得到组成为YFeO3的复合粉体，采用干压成型技术制成直径为10～20mm、厚度为1～2mm的陶瓷坯体；经过1350～1400℃无压烧结2～3小时，获得致密的YFeO3陶瓷材料即为温度传感材料；测得辐射频率-温度标准曲线后，可以用于温度传感器件。

Claims (10)

1.一种基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，具体方法包括以下内容：
（1）利用三价稀土铁基氧化物作为测试样品，在太赫兹时域光谱仪上测试其在不同温度时的磁偶极辐射频率，从而获得辐射频率-温度标准曲线；
（2）然后将样品置于温度未知的环境中，测量其在太赫兹波激发下的辐射信号，对照辐射频率-温度标准曲线，能够获知样品所在环境的温度。
2.根据权利要求1所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，所述三价稀土铁基氧化物为ReFeO3、LaFeO3、NdFeO3、SmFeO3、EuFeO3、GdFeO3、DyFeO3、HoFeO3、ErFeO3、TmFeO3、YFeO3中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，所述三价稀土铁基氧化物按以下方法制备而成：
（1）将三价稀土氧化物和氧化铁以摩尔比1:1混合，机械球磨，干燥后，获得混合均匀的粉末；
（2）将混合均匀的粉末进行热处理，得到单一物相的复合粉体，采用干压成型技术制成陶瓷坯体；
（3）经过烧结获得的致密的陶瓷材料，即为三价稀土铁基氧化物。
4.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，所述三价稀土氧化物选自Re2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Y2O3中的一种。
5.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，步骤（1）中所述球磨的时间为24～48小时。
6.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，步骤（1）中所述干燥的温度为60～80℃。
7.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，步骤（2）中所述热处理的温度为1100～1150℃，时间为2～4小时。
8.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，步骤（2）中所述陶瓷坯体的直径为10～20mm、厚度为1～2mm。
9.根据权利要求3所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，步骤（3）中所述烧结的温度为1350～1450℃，时间为2～4小时。
10.根据权利要求1所述的基于三价稀土铁基氧化物作为温度传感材料的温度测量方法，其特征在于，所述太赫兹时域光谱仪上配备有变温附件。
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