石墨烯對熱電偶應用過程中提高計量性能的研究

李曉麟

摘 要：石墨烯是科學家目前發現厚度最薄、機械強度最大、電子傳輸和傳導熱量性能最優異的一種新型二維納米材料。其最新發現是人們在防腐蝕方面最有效的方法。熱電偶在工業上作為常用的溫度計，具有結構簡單、使用方便、測溫范圍廣等特點，但是除了使用方法和條件外，熱電偶本身的測量靈敏度也會對其產生很大的影響，這會使得量結果存在較大誤差。為消除材料本身帶來的誤差，本文從應用實際方面探討石墨烯對熱電偶在應用過程中提高計量性能。

關鍵詞：石墨烯；熱電偶；熱導率；計量性能

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）03-0129-02

Abstract： Graphene is a new kind of two-dimensional nano material， which has the most thin thickness， the most powerful mechanical strength， the most outstanding performance in electron transport and heat transfer. Its latest discovery is the most effective way to prevent corrosion. Thermocouple is a kind of commonly used thermometer in industry， which has the characteristics of simple structure， convenient use， wide temperature range， but in addition to the use of methods and conditions， the thermocouple itself will have a significant impact on the measurement sensitivity， which makes the amount of results are stored in the error. In order to eliminate the error caused by the material itself， this paper discussed the application of graphene to improve the measurement performance.

Keywords： graphene；thermocouple；thermal conductivity；measurement performance

熱電偶從誕生到現在已經有100多年的歷史，因其優良的性能已被作為中高溫區域應用最廣泛的測溫器件之一。其中，石墨烯作為21世紀新起之秀，被認為是未來100a最有前途的材料之一。石墨烯是一種層狀二維材料，其厚度非常薄，通常只有一到幾個原子的厚度，具體依靠人們的生產工藝而定。一般石墨烯的制備是通過氧化還原法，先把石墨粉氧化使原子層之間的間距擴大，進而使離子插層進入，然后給予一定的能量使層與層逐漸剝離分開，得到的越薄，導電性也就越好，石墨烯真正的價值便能得到充分體現[1-2]。

溫度參數作為工業生產中常見測量參考數據之一，在實際生活生產的應用過程中，由于熱電偶制作的結構比較簡單，使用起來也很方便。再者，測量溫度范圍比較廣和性價比比較高，所以熱電偶被廣泛用于精確地測量溫度。但如果不注重熱電偶材料的選擇，會造成很大的測量誤差。為減小計量誤差，更精確地測量溫度，應分析由材料本身帶來的誤差。

1 石墨烯能降低外部環境對測量產生的影響

1.1 可以減小外部機械應力和振動

科學家和工程師通過大量的試驗得出，外部機械應力或者振動以及其他形式的沖擊力對熱電偶的溫度-電阻特性有一定的影響。測量時的溫度-電阻特性會因為熱電偶的感溫元件受力變形而受到很大影響，造成計量誤差。當熱電偶測量溫度高于0℃時，對熱電偶施加外力，熱電偶的電阻值會增大，電導率會下降。當測量溫度低于0℃時，對熱電偶施加外力，則電導率會增加。當測量壓力容器中的溫度時，熱電偶溫度計量會隨著容器壓力的改變產生附加誤差。一般金屬是熱電偶的溫度傳感部分，金屬晶格中的原子在高壓下產生的振動的振幅比正常振動產生的振幅要小，造成金屬中電子的自由程變大，原子發散的橫截面積變小，最終導致電阻值變小，從而顯示的溫度偏小。由大量試驗得出壓力影響公式為：

式（1）中，t為溫度計指示的溫度；p為容器壓力。從式（1）中得出計量值受到溫度和壓力的變化而變化。因此，在不同溫度的情況下進行高精度測量，需要考慮由外部壓力帶來的計量誤差。

石墨烯的抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa，楊氏模量約為42N/m2，面積為1m2的石墨烯層片可承受4kg的質量，其強度約為普通鋼的100倍，用石墨烯制成的包裝袋，可以承受大約2t的重量，是目前已知的強度最大的材料。石墨烯對熱電偶受到的機械應力有所緩沖作用，從而減小壓力對熱電偶在測量溫度過程中計量的誤差。

1.2 可以防止熱電偶被腐蝕

一般金屬半導體材料被用作熱電偶的感溫元件，金屬很容易被氧化和腐蝕。感溫材料的腐蝕對計量結果有很大的影響。用透光率很高的石墨烯薄膜，使金屬的耐腐蝕的性能增強近千倍，尤其在惡劣環境下的金屬防洪提供了很大的屏障。石墨烯雖然只有一個原子厚度，但其比傳統的材料更堅固、更耐用。

2 石墨烯減少熱電偶部件對測量的影響

2.1 降低熱電偶自熱的影響

在工業生產和生活應用的過程中，適當提高測量電流會提高電熱偶的靈敏度，但同時會造成電熱偶發熱，也就是自熱。研究熱電偶的自熱對測量產生的誤差影響很有必要。對于自熱，一般用以下公式計算：

式（2）中，I為工作電流，R為標稱電阻值，k為由熱電阻結構和工作環境影響的系數。石墨烯的比表面積大（2 630m2/g），熱導率[室溫下是5 000W/（m·K）]是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅[室溫下401W/（m·K）]的十倍多。石墨烯在導熱方面表現出優異的性能，在改善熱電偶的自熱效應方面會有很好的效果。

2.2 提高熱電偶實際電阻值

在制造熱電偶的過程中，金屬電阻值會有一定的誤差，實際電阻值就有一定的偏離，可以通過加入石墨烯來提高電導率。石墨烯的電子遷移率可達到2×105cm2/（V·s），約為硅中電子遷移率的140倍、砷化鎵的20倍，溫度穩定性高，電導率可達108Ω/m，面電阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。石墨烯作為導電性最好的材料，可以降低實際的電阻值，在提高熱電偶的導電性起到了很好的作用。

2.3 降低測量遲滯的影響

在常規工業應用中，測量溫度時所需響應時間是不可忽略的一個重要因素。熱電偶的熱響應速度越快，計量參數誤差也會相對較小，也就是通常所說的測量遲滯影響。同時，被測對象和測溫元器件的溫度對測量也有影響，當被測對象和測溫元器件的溫度相等時，測量遲滯時間最短，而被測對象和測溫元器件達到同一溫度需要一定的時間，這時需要將被測對象和測溫元器件充分接觸才有可能會減短測量遲滯時間，尤其在測量溫度變化較快的物體時。

2.4 降低引線電阻的電阻值

引線電阻也是影響熱電偶的計量性能一個重要因素，引線也是傳輸電子的通道，加入石墨烯可以提高引線的導電能力，遠距離的傳輸過程中，引線很長，電阻很大，不能忽略其中的電阻，導致測量產生遲滯。工業上是采用二線制或者三線制來減小引線電阻消除誤差。通常在測量電阻時，為了消除額外的熱電動勢通過改變電流換向開關調節引線和感溫元器件接頭的熱電動勢方向。在工業生產中消除引線電阻引入的計量誤差是使金屬鉑電阻引線的電阻值小于感溫元器件0℃時電阻阻值的0.1%。這種方法遠沒有石墨烯提高導電性更優越。一般生產生活中的解決方法是采用超高純度的金絲作為鉑電阻的引線來減小引線電阻的阻值?？茖W中通過計算把引線電阻的阻值隨溫度變化的公式定為：

式（3）中，t1、t2分別為溫度發生變化前和后的引線溫度；r為引線電阻；R為標稱電阻；a、a′分別為感溫器件金屬和引出線的電阻溫度系數。

2.5 增加被測溫度范圍

常用的熱電偶可連續測量從-50～1 800℃，對于特殊熱電偶最低可測到-270℃（如金銅鐵鎳鈦鉻），最高可達2 800℃（如鋯、銣、鈮、錸）。有些金屬在溫度低的情況下，導電性很差，而石墨烯的增加會使導電性大幅提高，從而使熱電偶在溫度更低或者更高時測量性能更穩定，減少測量過程中造成的誤差。

3 結語

本文深入分析熱電偶自身材料的不足和石墨烯的優勢，從多個角度如熱學性質、力學性質、電學性質方面入手，闡述了各項在提高熱電偶應用中的性能優勢，其分析結果對使用熱電偶溫度計計量溫度具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]崔志尚.溫度計量與測試[M].北京：中國計量出版社，1998.

[2]劉常滿.溫度測量與儀表維修問答[M].北京：中國計量出版社，1986.