ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 183 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности Фаррух Вахеед 1, a, Амтул Каюм 2, b, Мухаммад Файзан Ширази 3, c, * 1 Кафедра информатики, Университет UIT, улица Абуль Хасан Исфахани, Блок 7, Гульшан-и-Икбал, Карачи, 75300, Пакистан 2 Кафедра химии, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан 3 Кафедра электротехники, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан a https://orcid.org/0009-0004-6527-0965, fwbaig@uitu.edu.pk; b https://orcid.org/0000-0003-0149-2177, amtulq@neduet.edu.pk; c https://orcid.org/0000-0002-4488-8860, faizanshirazi@neduet.edu.pk Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 183–204 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-183-204 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Датчики влажности широко применяются в таких областях, как сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицинская диагностика ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.382.32:538.975 История статьи: Поступила: 04 июня 2025 Рецензирование: 23 июня 2025 Принята к печати: 10 июля 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Датчик влажности Наночастицы ZnO Устройства интеллектуального сенсорного восприятия Анализ ёмкости и комплексного сопротивления (импеданса) Быстрый отклик и восстановление Экологический и промышленный мониторинг Финансирование Данная работа выполнена в рамках PhD-программы NEDUET. АННОТАЦИЯ Введение. Современный рост требований к технологиям мониторинга окружающей среды в режиме реального времени обусловливает необходимость создания высокоэффективных датчиков влажности с коротким временем отклика, высокой чувствительностью и длительной стабильностью работы. Оксид цинка (ZnO) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых оксидов благодаря своей химической стабильности, доступности и чувствительности к изменению влажности. Однако для повышения рабочих характеристик ZnO требуется целенаправленная модификация его структурных и электронных свойств. В данном исследовании рассматривается легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) с целью улучшения чувствительности и кинетики адсорбционно-десорбционных процессов. Предмет и цель работы. Основной целью работы является разработка ёмкостных датчиков влажности на основе нанокомпозита ZnO-NGM с улучшенными параметрами времени отклика и восстановления, а также с повышенной чувствительностью. Для этого предполагается модифицировать электронные и поверхностные свойства ZnO путём его легирования нанографитовым материалом, что должно способствовать улучшению сенсорных характеристик. Методы исследования. Нанокомпозиты ZnONGM с различным массовым содержанием NGM (1, 2, 4, 5 и 10 %) были синтезированы методом химического осаждения. Оптические свойства образцов чистого ZnO изучались с помощью оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), которая выявила резкий край поглощения при 367 нм, соответствующий ширине запрещённой зоны около 3,3 эВ. Структурные и морфологические характеристики композитов анализировались методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтвердившими успешную интеграцию NGM в матрицу ZnO и увеличение пористости поверхности. Для изготовления сенсорных элементов на стеклянные подложки с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO) ножевым устройством наносились композитные пленки. Сенсорные характеристики измерялись в камере с контролируемой атмосферой азота при относительной влажности (RH) от 10 до 95 % в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц. Результаты и обсуждение. Датчик на основе ZnO, легированного 4 % NGM, продемонстрировал оптимальные параметры: время отклика составило 4,0 с, время восстановления – 6,2 с, а чувствительность превзошла показатели остальных исследованных составов. Улучшение функциональных характеристик связано с увеличением удельной поверхностной электропроводности и ускорением кинетики адсорбционно-десорбционных процессов, обусловленных присутствием нанографита, который способствует формированию более пористой и активной поверхности. Разработанные ёмкостные датчики влажности обладают высоким потенциалом для интеграции в современные системы мониторинга окружающей среды в реальном времени, а также в промышленные процессы автоматизации и интеллектуальные системы управления влажностью в бытовых условиях. Введение нанографита в структуру ZnO существенно улучшает сенсорные характеристики датчиков влажности. Нанокомпозит ZnO-NGM с содержанием 4 % нанографита проявляет наилучшие эксплуатационные свойства и является перспективным материалом для создания высокоэффективных датчиков влажности нового поколения. Для цитирования: Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 183–204. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-183-204. ______ *Адрес для переписки Ширази Мухаммад Файзан, к.т.н. Кафедра электротехники, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, 75270, Карачи, Пакистан Тел.: +92-21-99261261-8 (доб. 2215), e-mail: faizanshirazi@neduet.edu.pk и экологический мониторинг. Это обусловлено возрастающей необходимостью получения точных данных в реальном времени для современных интеллектуальных систем управления. Основными требованиями к современным датчикам влажности являются низкое энергопотребление, быстрый отклик, высокая стабильность и экономическая доступность [1, 2]. В ряде исследований представлены различные инновационные подходы к созданию датчи-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1