CN1072622C - 三氧化二铝基气敏材料 - Google Patents

Abstract

三氧化二铝基气敏材料及气敏元件，属于一种陶瓷气敏材料及元件。采用活性Al₂O₃为基体材料(分子比为45%-95%)，配以助熔剂B₂O₃(＜10%)，适当掺入SnO₂，In₂O₃，Y₂O₃，Co₂O₃，Sb₂O₃，ZrO₂，MoO₃，ZnO，K₂O，Nb₂O₅，MgO，SiO₂等作添加剂、PdCl₂或Pt作催化剂组成，并适当加入粘合剂。采用涂敷——烧结工艺，可制得陶瓷气敏材料及分别对氢气、乙醇、甲烷、丁烷和一氧化碳气体敏感的旁热式烧结型气敏元件。本发明具有元件选择性好，抗温、湿性能好，稳定性好，寿命长的优点，且无环境污染，工艺稳定，重复性好，便于批量生产。

Description

三氧化二铝基气敏材料

本发明属于一种陶瓷气敏材料并用于气敏元件。

陶瓷气敏元件目前应用最多的是SnO₂系(J77-005880专利)和ZnO系(J54-032394专利)，SnO₂系采用SnO₂作基体材料，添加SiO₂、PdCl₂为催化剂，ZnO系采用ZnO作基体材料，添加ZnSO₄等。使用以上基体材料及制作的这类陶瓷气敏元件存在的缺陷是：

1．稳定性差。陶瓷气敏元件的电阻值受环境温度与湿度的影响很大。长期使用时，元件在空气中或可燃性气体中的电阻值下降，从而造成低于设置浓度下的误报。另外，元件短期内不能稳定，其电阻需经一系列变化才能稳下来，这种变化一般需要几十分钟甚至几天的时间。元件稳定性差在很大程度上造成了定量检测的困难。

2．气体分辨率差。这类元件对可燃性气体呈现一定的气体普适性，很难达到单一气体选择性。

3．寿命短。元件长期工作后，造成敏感材料晶粒长大，固相之间进行未完成的反应，元件中添加的催化剂性能改变等因素使元件性能下降，从而使元件寿命缩短。元件长期放置后，催化剂会因吸水或吸附其它气体而中毒，活性下降，基体材料也会因此而改变性能，以至元件不能使用而报废。

本发明的目的就是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种稳定性好，具有优良的抗温、抗湿性能，对气体分辨率高，具有良好的单一气体选择性，寿命长的陶瓷气敏材料及气敏元件。

本发明的目的可以通过以下措施来达到。用陶瓷基体材料和添加剂按一定摩尔百分比配合组成陶瓷气敏材料及气敏元件。本发明用活性Al₂O₃为基体材料(其摩尔百分比为45％-95％)，添加可提高气体选择性，有助熔或催化作用的添加剂，如过渡金属氧化物(2％-50％)，金属氧化物(1％-15％)，非金属氧化物(0-10％)，选择至少两种与基体材料配合以及贵金属(1％-2.5％)作催化剂并经过一定的微化及活化处理后实现本发明。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1．突破了已有技术一般在陶瓷气敏材料和元件中Al₂O₃作添加剂的局限而用其作为基体材料，并通过微化及活化处理增强其活性，从而开发了Al₂O₃材料的新功能。

2．充分发挥了Al₂O₃材料的特点。用Al₂O₃基气敏材料及制备的元件几乎不受环境温度、湿度的影响，且元件电阻值也具有很好的稳定性。在稳定性周期测试中连续测量80天，电阻静态阻值波动低于5％，小于已有技术的8％。

3．气体分辩率高。G=R₁/R₂≥9(R₁、R₂为同一元件在两种不同气体、相同浓度时的电阻值)。高于已有技术的G≥3。

4．通过对材料的微化处理，使材料在烧结过程中固相间反应完全，避免了元件在长期使用过程中材料性能的改变，从而使元件有较长的寿命。

以下对本发明作详细描述。

本发明的目的还可以通过以下措施实现。本发明的陶瓷气敏材料及气敏元件的基体材料为Al₂O₃(45％-95％)，添加有助熔剂B₂O₃(0-10％)，根据测试不同气体需要的气敏材料可分别添加过渡金属氧化物SnO₂(5％-30％),In₂O₃(20％-50％),Y₂O₃(5％-20％),Co₂O₃(1％-4％),Sb₂O₃(2％-4％),ZnO(0.1％-9.5％),MoO₃(0.5％-5％),ZrO₂(微量-5％)，碱金属氧化物K₂O(微量-1％)，碱土金属氧化物MgO(2％-15％)，非金属氧化物SiO₂(2％-9％)，其中一种或几种，添加贵金属PdCl₂(0.2％-2.5％)或Pt粉(0.1％-2％)作为催化剂。加适量粘合剂，采用涂敷-烧结工艺，可制成陶瓷气敏材料及其旁热式烧结型气敏元件。

Al₂O₃基氢气敏感材料及元件配方：Al₂O₃(55％-80％),B₂O₃(2％-6％),SnO₂(10.5％-25％),SiO₂(4％-9％),Sb₂O₃(2.5％-4％),PdCl₂(0.5％-2％)。性能：空气中标定值    检测范围    灵敏度   响应时间    气辨率0.1-1(V)       10-10000(ppm)   ≥3    ≤10(S)     ≥9

Al₂O₃基己醇敏感材料及元件配方：Al₂O₃(50％-75％),B₂O₃(1％-3％),SnO₂(10％-25％),MgO(2％-12％),SiO₂(2％-6％),Co₂O₃(1％-4％),MoO₃(2％-5％),PdCl₂(0.2％-1％)。性能：空气中标定值    检测范围    灵敏度    响应时间    气辨率0.1-0.6(V)      5-500(ppm)    ≥5      ≤10(S)      ≥9

Al₂O₃基甲烷敏感材料及元件配方：Al₂O₃(45％-70％),In₂O₃(25％-50％),ZnO(1％-4％),K₂O(微量-1％),Pt(0.2％-2％)。性能：检测浓度：0.5％(vol)，灵敏度：6.5。

Al₂O₃丁烷敏基感材料及元件配方：Al₂O₃(45％-70％),In₂O₃(20％-45％),Y₂O₃(5％-20％),ZrO₂(0.1％-3％),Pt(0.1％-1％)。性能：检测浓度：0.5％(vol)，灵敏度：10。

Al₂O₃基一氧化碳敏感材料及元件配方：Al₂O₃(50％-75％),ZnO(5％-20％),MgO(1％-10％),Co₂O₃(1％-4％),PdCl₂(0.2％-1％),ZrO₂(2％-5％),Nb₂O₅(2％-5％)。性能：检测浓度：0.5％(vol)，灵敏度：6.5。

Claims (3)

1．一种陶瓷气敏材料，其特征是由按摩尔百分比配比的Al₂O₃55--80％，添加B₂O₃ 2--6％,SnO₂ 10.5--25％,SiO₂ 4--9％,Sb₂O₃2.5--4％,PdCl₂ 0.5--2％组成。

2．一种陶瓷气敏材料，其特征是由按摩尔百分比配比的Al₂O₃50--75％，添加B₂O₃ 1--3％,SnO₂ 10--25％,MgO 2--12％,SiO₂2--6％,Co₂O₃ 1--4％,MoO₃ 2--5％,PdCl₂ 0.2--1％组成。

3．一种陶瓷气敏材料，其特征是由按摩尔百分比配比的Al₂O₃45--70％，添加Y₂O₃ 5--20％,ZrO₂ 0.1--3％,In₂O₃ 20--45％,Pt 0.1--1％组成。