石墨烯对热电偶应用过程中提高计量性能的研究

李晓麟

摘 要：石墨烯是科学家目前发现厚度最薄、机械强度最大、电子传输和传导热量性能最优异的一种新型二维纳米材料。其最新发现是人们在防腐蚀方面最有效的方法。热电偶在工业上作为常用的温度计，具有结构简单、使用方便、测温范围广等特点，但是除了使用方法和条件外，热电偶本身的测量灵敏度也会对其产生很大的影响，这会使得量结果存在较大误差。为消除材料本身带来的误差，本文从应用实际方面探讨石墨烯对热电偶在应用过程中提高计量性能。

关键词：石墨烯；热电偶；热导率；计量性能

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：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

熱电偶从诞生到现在已经有100多年的历史，因其优良的性能已被作为中高温区域应用最广泛的测温器件之一。其中，石墨烯作为21世纪新起之秀，被认为是未来100a最有前途的材料之一。石墨烯是一种层状二维材料，其厚度非常薄，通常只有一到几个原子的厚度，具体依靠人们的生产工艺而定。一般石墨烯的制备是通过氧化还原法，先把石墨粉氧化使原子层之间的间距扩大，进而使离子插层进入，然后给予一定的能量使层与层逐渐剥离分开，得到的越薄，导电性也就越好，石墨烯真正的价值便能得到充分体现[1-2]。

温度参数作为工业生产中常见测量参考数据之一，在实际生活生产的应用过程中，由于热电偶制作的结构比较简单，使用起来也很方便。再者，测量温度范围比较广和性价比比较高，所以热电偶被广泛用于精确地测量温度。但如果不注重热电偶材料的选择，会造成很大的测量误差。为减小计量误差，更精确地测量温度，应分析由材料本身带来的误差。

1 石墨烯能降低外部环境对测量产生的影响

1.1 可以减小外部机械应力和振动

科学家和工程师通过大量的试验得出，外部机械应力或者振动以及其他形式的冲击力对热电偶的温度-电阻特性有一定的影响。测量时的温度-电阻特性会因为热电偶的感温元件受力变形而受到很大影响，造成计量误差。当热电偶测量温度高于0℃时，对热电偶施加外力，热电偶的电阻值会增大，电导率会下降。当测量温度低于0℃时，对热电偶施加外力，则电导率会增加。当测量压力容器中的温度时，热电偶温度计量会随着容器压力的改变产生附加误差。一般金属是热电偶的温度传感部分，金属晶格中的原子在高压下产生的振动的振幅比正常振动产生的振幅要小，造成金属中电子的自由程变大，原子发散的横截面积变小，最终导致电阻值变小，从而显示的温度偏小。由大量试验得出压力影响公式为：

式（1）中，t为温度计指示的温度；p为容器压力。从式（1）中得出计量值受到温度和压力的变化而变化。因此，在不同温度的情况下进行高精度测量，需要考虑由外部压力带来的计量误差。

石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，杨氏模量约为42N/m2，面积为1m2的石墨烯层片可承受4kg的质量，其强度约为普通钢的100倍，用石墨烯制成的包装袋，可以承受大约2t的重量，是目前已知的强度最大的材料。石墨烯对热电偶受到的机械应力有所缓冲作用，从而减小压力对热电偶在测量温度过程中计量的误差。

1.2 可以防止热电偶被腐蚀

一般金属半导体材料被用作热电偶的感温元件，金属很容易被氧化和腐蚀。感温材料的腐蚀对计量结果有很大的影响。用透光率很高的石墨烯薄膜，使金属的耐腐蚀的性能增强近千倍，尤其在恶劣环境下的金属防洪提供了很大的屏障。石墨烯虽然只有一个原子厚度，但其比传统的材料更坚固、更耐用。

2 石墨烯减少热电偶部件对测量的影响

2.1 降低热电偶自热的影响

在工业生产和生活应用的过程中，适当提高测量电流会提高电热偶的灵敏度，但同时会造成电热偶发热，也就是自热。研究热电偶的自热对测量产生的误差影响很有必要。对于自热，一般用以下公式计算：

式（2）中，I为工作电流，R为标称电阻值，k为由热电阻结构和工作环境影响的系数。石墨烯的比表面积大（2 630m2/g），热导率[室温下是5 000W/（m·K）]是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜[室温下401W/（m·K）]的十倍多。石墨烯在导热方面表现出优异的性能，在改善热电偶的自热效应方面会有很好的效果。

2.2 提高热电偶实际电阻值

在制造热电偶的过程中，金属电阻值会有一定的误差，实际电阻值就有一定的偏离，可以通过加入石墨烯来提高电导率。石墨烯的电子迁移率可达到2×105cm2/（V·s），约为硅中电子迁移率的140倍、砷化镓的20倍，温度稳定性高，电导率可达108Ω/m，面电阻约为31Ω/sq（310Ω/m2），比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。石墨烯作为导电性最好的材料，可以降低实际的电阻值，在提高热电偶的导电性起到了很好的作用。

2.3 降低测量迟滞的影响

在常规工业应用中，测量温度时所需响应时间是不可忽略的一個重要因素。热电偶的热响应速度越快，计量参数误差也会相对较小，也就是通常所说的测量迟滞影响。同时，被测对象和测温元器件的温度对测量也有影响，当被测对象和测温元器件的温度相等时，测量迟滞时间最短，而被测对象和测温元器件达到同一温度需要一定的时间，这时需要将被测对象和测温元器件充分接触才有可能会减短测量迟滞时间，尤其在测量温度变化较快的物体时。

2.4 降低引线电阻的电阻值

引线电阻也是影响热电偶的计量性能一个重要因素，引线也是传输电子的通道，加入石墨烯可以提高引线的导电能力，远距离的传输过程中，引线很长，电阻很大，不能忽略其中的电阻，导致测量产生迟滞。工业上是采用二线制或者三线制来减小引线电阻消除误差。通常在测量电阻时，为了消除额外的热电动势通过改变电流换向开关调节引线和感温元器件接头的热电动势方向。在工业生产中消除引线电阻引入的计量误差是使金属铂电阻引线的电阻值小于感温元器件0℃时电阻阻值的0.1%。这种方法远没有石墨烯提高导电性更优越。一般生产生活中的解决方法是采用超高纯度的金丝作为铂电阻的引线来减小引线电阻的阻值。科学中通过计算把引线电阻的阻值随温度变化的公式定为：

式（3）中，t1、t2分别为温度发生变化前和后的引线温度；r为引线电阻；R为标称电阻；a、a′分别为感温器件金属和引出线的电阻温度系数。

2.5 增加被测温度范围

常用的热电偶可连续测量从-50～1 800℃，对于特殊热电偶最低可测到-270℃（如金铜铁镍钛铬），最高可达2 800℃（如锆、铷、铌、铼）。有些金属在温度低的情况下，导电性很差，而石墨烯的增加会使导电性大幅提高，从而使热电偶在温度更低或者更高时测量性能更稳定，减少测量过程中造成的误差。

3 结语

本文深入分析热电偶自身材料的不足和石墨烯的优势，从多个角度如热学性质、力学性质、电学性质方面入手，阐述了各项在提高热电偶应用中的性能优势，其分析结果对使用热电偶温度计计量温度具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]崔志尚.温度计量与测试[M].北京：中国计量出版社，1998.

[2]刘常满.温度测量与仪表维修问答[M].北京：中国计量出版社，1986.