等离子体改性碳纳米管检测SF6放电分解组分的气敏特性研究

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六氟化硫气体(SF6)由于具有优异的绝缘性能和灭弧性能而被广泛地应用于气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)中。在长期运行过程中,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,生成多种气体组分。检测和分析这些 SF6分解的特征气体组分对 GIS的状态评估及故障诊断具有重要意义。目前已有多种方法用于检测SF6分解组分,但这些方法存在诸多不足。基于碳纳米管的气敏传感器由于具有灵敏度高、工作温度低及尺寸小等优点而适合用于SF6分解组分的在线监测。本征碳纳米管由于自身结构的限制,只对少数几种气体(NO2、NH3等)具有较好的气敏响应特性,因此通常需要对碳纳米管进行化学修饰来提高其气敏特性。气敏传感器对SF6分解组分存在交叉敏感即选择性的问题,而且传感器的灵敏度及响应恢复时间也有待进一步的提高。  本文利用等离子体表面改性的方法对碳纳米管进行修饰,搭建了介质阻挡放电等离子体发生装置,并基于该装置利用空气等离子体和 CF4等离子体这两种典型的等离子体气体对本征碳纳米管进行表面改性,制备了基于本征碳纳米管及改性后碳纳米管的气敏传感器。试验研究了这几种传感器种对SF6两种重要的分解特征组分H2S和SO2的气敏响应特性,测定了传感器诸如电阻变化率、响应恢复时间和稳定性等性能指标,并比较分析了这几种传感器的性能。同时深入分析了改性后碳纳米管的气敏响应机理。  与本征碳纳米管相比,经空气等离子体改性的碳纳米管气敏传感器对 H2S气体的电阻变化率灵敏度有了较大幅度的提高,响应时间也有所缩短。在经空气等离子体处理不同时间的碳纳米管中,改性时间为60s的碳纳米管的气敏传感器其气敏响应特性最好,并且具有良好的重复性和稳定性,同时 H2S气体的浓度和传感器的电阻变化率之间的满足较好的线性关系。而经空气等离子体改性的碳纳米管对 SO2气体的电阻变化率灵敏度大幅度下降,对 SO2变得几乎不在敏感。经空气等离子体改性的碳纳米管对H2S表现出较好的选择性。  与本征碳纳米管相比,经 CF4等离子体改性的碳纳米管气敏传感器对 H2S气体的电阻变化率灵敏度有所提高,但提高幅度不如经空气等离子体改性的效果,在响应时间和恢复时间方面比空气等离子体改性的碳纳米管却有较大幅度的缩短。在经 CF4等离子体处理不同时间的碳纳米管中,改性时间为10min的碳纳米管的气敏传感器其气敏响应特性最好,响应恢复时间最短,具有较好的稳定性和重复性。同时H2S气体的浓度和传感器的电阻变化率之间的满足较好的线性关系。经 CF4等离子体改性的碳纳米管对 SO2气体的电阻变化率灵敏度也有一定幅度的提高并且响应时间有所缩短,但恢复时间却没有明显的变化。同样在经 CF4等离子体处理不同时间的碳纳米管中,也是改性时间为10min的碳纳米管对 SO2效果最好。
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