单壁碳纳米管传感器检测SF6局部放电分解组分的气敏性研究

论文摘要

六氟化硫气体（SF6）,具有较高的电气强度,优良的灭弧性能,被广泛应用于气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear,GIS）中。长期运行过程中,GIS内部绝缘缺陷处会发生局部放电（Partial Discharge,PD）,导致SF6发生分解反应,生成不同的气体组分。检测和分析SF6分解的特征气体组分对GIS的故障诊断具有重要意义。而从混合气体组分中检测出特征组分是主要难题。本文在分析现有的特征组分检测方法不足的基础上,将纳米气敏传感技术应用于SF6分解的特征组分的检测,研制了单壁碳纳米管气体传感器,通过理论仿真和气敏实验对单壁碳纳米管的微观气敏机理和宏观气敏特性进行研究。?利用Materials Studio（MS）建立了SF6放电分解生成的四种主要气体组分（SOF2、SO2F2、SO2、CF4）与单壁碳纳米管的微观吸附模型,并根据密度泛函理论（DFT）对吸附过程进行理论计算。主要研究和分析了羟基修饰单壁碳纳米管（hydroxylation single-wall carbon nanobutes,SWNT-OH）的微观气敏机理。首先,根据计算结果对SWNT-OH与四种分子的吸附能力进行了判断。其次,根据分子前线轨道理论分析了SWNT-OH与四种分子发生吸附作用的难易程度。第三,根据能隙计算结果研究了气体分子吸附在SWNT-OH上对其表面载流子转移能力的影响,并结合态密度计算结果分析了SO2与SWNT-OH吸附过程中的原子轨道杂化情况。最后,将SWNT-OH与本征SWNT的计算结果进行对比。计算结果表明:四种分子中,SWNT-OH最容易与SO2发生吸附作用,吸附能力最强;且吸附SO2后,能隙减小,导致其上电子转移能力提高;吸附过程中,两者原子的部分轨道趋于杂化形成电子输运通道,有利于两者之间的电子转移。SWNT-OH对四种分子的吸附能力高于本征SWNT的吸附能力。采用叉指电极印制电路板为基底,制备了SWNT-OH及本征SWNT气体传感器,利用SOF2、SO2F2、SO2、CF4标气进行气敏实验。将两种传感器的气敏特性进行对比,重点研究和分析了SWNT-OH传感器的气敏响应特性。为探究SWNT-OH电阻变化率与SO2气体浓度的关系,对其响应曲线进行了线性拟合。之后研究了SWNT-OH传感器的恢复特性和稳定性。实验表明:在四种标气中,SWNT-OH对SO2响应速度最快,灵敏度最高;SWNT-OH电阻变化率与SO2的气体浓度满足一定的线性关系;传感器在空气中可以自恢复,恢复时间短,且在一定程度上满足稳定性的要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 6 局放分解组分的意义'>1.1 检测SF₆局放分解组分的意义
• 6 分解组分的研究现状'>1.2 GIS 局部放电及SF₆分解组分的研究现状
• 1.2.1 GIS 局部放电
• 6 分解原因'>1.2.2 SF₆分解原因
• 6 分解机理'>1.2.3 SF₆分解机理
• 6 局放分解组分检测方法'>1.2.4 SF₆局放分解组分检测方法
• 1.3 碳纳米管概述
• 1.3.1 结构
• 1.3.2 性质
• 1.3.3 应用
• 1.4 单壁碳纳米管气体传感器的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 单壁碳纳米管的制备和表征及气敏特性
• 2.1 引言
• 2.2 制备方法
• 2.3 表征方法
• 2.4 修饰方法
• 2.5 气敏特性
• 2.5.1 本征单壁碳纳米管的气敏特性
• 2.5.2 改性后单壁碳纳米管的气敏特性
• 2.6 本章小结
• 6 分解组分气敏性的理论仿真'>3 单壁碳纳米管对 SF₆分解组分气敏性的理论仿真
• 3.1 引言
• 3.2 密度泛函理论
• 3.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 3.2.2 交换关联泛函
• 3.3 Materials Studio 软件简介
• 3.3.1 Materials Studio 软件
• 3.3.2 Dmol3 程序模块
• 3.4 气体分子-单壁碳纳米管吸附模型
• 3.4.1 单壁碳纳米管及分子构型
• 3.4.2 分子-单壁碳纳米管吸附模型
• 3.4.3 吸附模型计算方法
• 3.5 羟基修饰单壁碳纳米管的计算结果与分析
• 3.5.1 计算稳定吸附位
• 3.5.2 吸附能及电荷转移量和作用距离结果与分析
• 3.5.3 HOMO 及LUMO 结果与分析
• 3.5.4 能隙结果与分析
• 3.5.5 态密度结果与分析
• 3.6 与本征单壁碳纳米管计算结果的对比
• 3.6.1 本征单壁碳纳米管的计算结果与分析
• 3.6.2 计算结果对比
• 3.7 本章小结
• 6 分解组分气敏性的实验研究'>4 单壁碳纳米管传感器对 SF₆分解组分气敏性的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 传感器的制备及气敏实验装置
• 4.2.1 样品的红外吸收光谱分析
• 4.2.2 传感器的制备
• 4.2.3 实验装置及实验步骤
• 4.3 羟基修饰单壁碳纳米管传感器的气敏实验
• 4.3.1 传感器的特性参数
• 4.3.2 传感器的响应曲线
• 4.3.3 传感器的恢复曲线
• 4.3.4 传感器的稳定性
• 4.4 与本征单壁碳纳米管传感器气敏响应的对比
• 4.4.1 本征单壁碳纳米管传感器的响应曲线
• 2 气敏响应的对比'>4.4.2 传感器对SO₂气敏响应的对比
• 4.5 仿真结果与实验结果对比
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录