基于CsPbBr3量子点的湿度传感器的制备及其在微裂纹检测中的应用

黄 胜 单沪生 赵宇龙 丁统顺 任逸凡 顾修全＊,,2

(1中国矿业大学材料与物理学院，徐州 221116)

(2浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州 310027)

0 引 言

工业设备在使用过程中往往会出现一些细小裂纹，这些裂纹虽然微小，但却会对设备的使用寿命和安全性造成很大的影响，如何及时并且准确地检测出这些微裂纹，成为工业界亟待解决的重要问题。此外，输油管道中的裂缝和孔洞会导致漏油等安全事故[1-4]，造成环境污染和经济损失，也会严重影响人类的生命安全。瓦斯作为一种灾害源，一直威胁着我国煤矿安全生产，矿井瓦斯爆炸事故和煤与瓦斯突出事故时有发生，且随着开采深度的增加，瓦斯问题更加严重，而瓦斯的涌出则与煤矿围岩裂隙密切相关[5-6]，因而在采掘过程中对围岩裂隙的实时监测尤为重要。迄今为止，已经有很多用于微裂纹、微裂隙监测的技术，如磁通泄漏(MFL)检测、压电换能器(PZT)、电流传感器、光泄漏检测、空气泄漏流量检测以及超声波检测等[7-12]。然而，上述检测方法在经济性、便携性和准确性方面均存在着不足。具体而言，MFL 检测体积太大，操作过于复杂，并且需要在管道内部操作，不利于正在运行的设备检测，且检测成本高；PZT 的材料合成工艺、检测过程相对复杂；电流传感器是通过磁通量来输出裂纹信号，集成困难、输出信号强度低；空气泄漏流量检测需要在管道内外部同时进行操作，不适合正在运行的管道检测；超声波检测的缺点在于不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充分填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。

近年来，人们发现利用湿度传感器也可以检测管道或矿井微小裂纹，其工作原理如下：发生泄漏时，泄漏源的内部压力大于外部压力，导致管道内部气体逸出，管道内外存在着较大的湿度差异，因而可用湿度传感器确定管道裂纹(即泄漏点)的位置。湿度传感器是一种将湿度转换为可测量电信号的器件，其原理是利用半导体材料与水蒸气(湿气)接触时其自身电阻改变的行为。常用的湿度敏感材料主要包括金属氧化物(MO)[13]、无机钙钛矿材料[14]和有机聚合物[15]等。MO 在化学和热稳定性方面显示出优势，但需要相对较长的响应和恢复时间[16]。但太长的响应和恢复时间不利于在实际场景下的检测运用。无机钙钛矿氧化物材料(如BaTiO3[17]、SrTiO3[18]等)通常需要复杂的合成工艺，如高温烧结，这将增加生产成本、能源消耗、环境污染等问题。金属卤化物钙钛矿材料(包括CH3NH3PbI3、CsPbBr3等)具有吸收系数高、制备成本低、载流子扩散长度长、光学带隙可调等优点，成为目前引人注目的光电材料[19-25]。当前，卤化物钙钛矿材料主要被应用在气敏传感器领域，很少作为湿敏传感器[26]。理论上，金属卤化物钙钛矿材料对湿度响应灵敏，且响应与恢复时间短，然而易水解的特点却一直制约其广泛运用[27]。

在本工作中，采用溶液法在室温下合成出CsPbBr3-Fe 量子点(QDs)，并引入AAI 配体对CsPbBr3QDs 进行表面改性，以阻断H2O 分子与QDs接触，从而提高QDs 的稳定性。最后将CsPbBr3-Fe QDs 旋涂于叉指电极(IDE)上制成湿度传感器，可以实现10%～100%RH 的全域响应，电阻值跨度为3.6×105～1.56×108Ω。我们对其进行连续的稳定性测试，其湿敏性能几乎没有波动，表明改性后的传感器材料对水具有可靠的稳定性。我们还将其应用于泄漏检测。通过模拟矿井壁裂纹现场，检测并成功定位裂纹位置。同时，还对管道漏风现场进行了模拟，实现了对不同情况的孔洞进行定位和检测。

1 实验部分

1.1 化学试剂

主要试剂均购自上海思域化工科技有限公司，包括碳酸铯(Cs2CO3，99.99%，阿拉丁)、溴化铅(PbBr2，99.9%，麦克林)、四庚基溴化铵(C28H60NBr，简称Tmbr，99%，阿拉丁)、油酸(C18H34O2，简称OA，分析纯，麦克林)、正辛基胺(C8H19N，简称Olm，99%，麦克林)、甲苯(C7H8，99.5%，泰坦科技)和乙酰丙酮铁(C10H14FeO4，简称AAI，98%，麦克林)。IDE 材料为氟掺杂氧化锡(FTO)涂层，线宽2 mm，行距2 mm，叉指长度14 mm，衬底为20 mm×20 mm玻璃。

1.2 钙钛矿QDs合成

图1 给出了CsPbBr3-Fe QDs 的合成工艺方案。首先分别用OA 溶解Cs2CO3，用OLm、OA 和TmBr 溶解PbBr2，然后将2 种前体加热、搅拌并与AAI 混合，得到所需的QDs样品，具体来说包括以下步骤：

图1 用于构建湿度传感器的CsPbBr3-Fe QDs的溶液合成过程示意图Fig.1 Schematic illustration on solution-based synthesis process of CsPbBr3-Fe QDs for constructing humidity sensor

形成铯前驱体：将0.041 1 g Cs2CO3和2 mL OA添加到5 mL 玻璃瓶中，并在70 ℃下搅拌以获得澄清的均匀溶液。

形成铅前驱体：将0.029 8 g PbBr2、0.059 1 g Tmbr、80 μL OA、80 μL OLm 和8 mL 甲苯添加到10 mL 玻璃瓶中，并在70 ℃下搅拌以获得澄清的均匀溶液。

形成CsPbBr3QDs：将2 mL 铅前驱体放入5 mL玻璃瓶中，在70 ℃下搅拌。逐滴缓慢加入157 μL铯前驱体，得到CsPbBr3QDs溶液。

形成CsPbBr3-Fe QDs：将0.007 g AAI 和3 mL 甲苯添加到上述盛有CsPbBr3QDs溶液的5 mL 玻璃瓶中，在70 ℃下搅拌获得澄清的溶液。

1.3 传感器组装

将100 μL CsPbBr3-Fe QDs溶液以800 r·min-1的转速旋转到IDE 上。然后将传感器放入70 ℃的烘箱中处理10 min以去除溶剂甲苯，并重复3次。

1.4 气体传感性能评价

准备一个40 L 的气体容器，装载待测气体、空气，干燥空气由体积比为4∶1的纯氮和纯氧组成，其湿度值标定为0%。湿度由湿度发生器在室温下产生，大气环境的相对湿度(RH)为50%，实际测量环境中RH 在10%～100%范围内连续可调。将传感器与Keithley 2400 数字源表连接，并将传感器放入容器中收集信号，直到响应曲线稳定。随后将传感器取出并放入另一个装有干燥空气的容器中收集信号，直到曲线恢复稳定。

1.5 材料表征

进行一系列表征以确定所得产物的结构和形态。样品的紫外可见(UV-Vis)光谱由Lamda-900 UV-Vis分光光度计获得；稳态光致发光(PL)光谱和时间分辨光致发光(TRPL)光谱分别由型号为Varian Cary 300 和FLS980 系列的荧光光谱仪负责收集；X 射线光电子能谱(XPS)由美国赛默飞世尔仪器公司型号为ESCALAB 250 Xi 的仪器收集，以C1s284.8 eV 为标准对样品的化学状态进行标定；样品的形貌和微观结构则依次由场发射扫描电子显微镜(FESEM，型号为SU8220，日立，工作电压10 kV)和透射电子显微镜(TEM，型号为JEM 2100 F，日立)进行表征(20 kV)。X 射线衍射(XRD)分析在Bruker D8 Advance 衍射仪上进行，使用的辐射源为CuKα(λ=0.154 182 nm)，工作电压40 kV，工作电流40 mA，扫描范围为5°～65°。使用傅里叶变换红外光谱(FTIR，Bruker)表征CsPbBr3QDs与AAI之间的相互作用状态。

1.6 矿井裂纹探测模拟

准备一个350 mL 塑料瓶，瓶身开一个宽1.5 mm、长3 cm 的裂缝，瓶口处开一个直径1 cm 的孔，以便与湿度发生器连接。瓶子外侧用泥土包覆，裂纹处开一条相同尺寸的裂缝。调节湿度发生器，使流速均匀。将传感器放置于起始位置，以0.4 cm·s-1的速度匀速围绕瓶身转动，转动过程中由2400数字源表输出电阻。

1.7 管道孔洞探测模拟

准备4个相同大小(350 mL)的塑料瓶，分别在瓶口处开一个直径1 cm 的孔，以便连接湿度发生器。3个小瓶在瓶身中间开洞，直径分别为2、5、8 mm；另外一个小瓶在靠近两侧位置开2 个5 mm 小洞。调节湿度发生器，使流速均匀。将传感器放置于起始位置，以0.4 cm·s-1的速度匀速围绕瓶身转动，转动过程中由2400数字源表输出电阻。

2 结果与讨论

图2a显示了样品的XRD 图，CsPbBr3-Fe 的XRD图与之前的报道一致(空间群Pm3m，晶格常数a=0.837 nm，b=0.843 nm，c=1.201 nm，α=β=γ=90°)[28]，2个主衍射峰分别出现在15.1°和30.6°位置处，对应CsPbBr3-Fe QDs 的(010)和(020)晶面。其中，CsPbBr3在30.6°处的峰的半峰宽为1.56°，而CsPbBr3-Fe的该峰半峰宽仅为0.36°，表明对QDs 进行配体AAI 修饰有利于增强其结晶质量，且在与AAI 配位前后CsPbBr3-Fe 的晶体结构保持不变。SEM 和能谱(EDX)面描结果用于研究CsPbBr3-Fe QDs 膜层的表面形貌和成分，如图2b、2c 所示。从中可以看出，CsPbBr3-Fe QDs膜层表面致密光滑，元素Cs、Pb、Br、Fe 均匀分布。为了更好地理解QDs，分别通过TEM和HRTEM 对CsPbBr3-Fe QDs 的形貌和晶面进行了表征，其结果显示在图2d～2f 中。统计分析表明，CsPbBr3-Fe QDs的尺寸主要分布在11 nm左右，表明合成的QDs 有着均一的粒径。通过图2f 确定晶面间距为0.26 和0.20 nm 的晶格条纹分别对应CsPbBr3-Fe QDs 的(210)和(220)晶面，进一步验证了钙钛矿QDs 的成功合成[28]，且在与AAI 形成配体后没有其它相生成。

图2 结构表征:(a)CsPbBr3-Fe QDs和CsPbBr3的XRD图;CsPbBr3-Fe QDs薄膜的(b)SEM图像和(c)元素映射图像;CsPbBr3-Fe QDs的(d)TEM和(e、f)HRTEM图像Fig.2 Structure characterization:(a)XRD patterns of CsPbBr3-Fe QDs and CsPbBr3;(b)SEM images and(c)elemental mapping images of CsPbBr3-Fe QDs film;(d)TEM and(e,f)HRTEM images of CsPbBr3-Fe QDs

为了探究AAI 配体对CsPbBr3-Fe QDs 的影响，对CsPbBr3和CsPbBr3-Fe QDs 进行稳态PL 和TRPL分析。在图3a所示的稳态PL 中，CsPbBr3-Fe QDs 的主峰位于511 nm，对应该材料的激子发光，且半峰宽为22 nm。作为对比，CsPbBr3QDs 的主峰出现在517 nm 处，其半峰宽为21 nm。显然，前者的半峰宽更窄，且PL主峰相对蓝移(即激子发射能量更高)，这意味着CsPbBr3QDs在经过AAI配体改性后，其表面缺陷密度受到了很大的抑制[29]。同样，表面缺陷密度的降低也可以通过TRPL光谱予以验证。图3b比较了2 个样品的TRPL 光谱，我们发现与CsPbBr3QDs 的载流子寿命(平均寿命τavg=4.550 ns)相比，CsPbBr3-Fe QDs的载流子寿命(τavg=98.314 ns)显著增加，这也进一步证实了AAI 配体修饰有助于改善表界面，使QDs内部的辐射复合损失有效降低[30]。

图3 CsPbBr3-Fe QDs和CsPbBr3 QDs的(a)稳态PL和(b)TRPL光谱Fig.3 (a)Steady-state PL and(b)TRPL spectra of CsPbBr3-Fe QDs and CsPbBr3 QDs

对样品进行XPS表征以确定CsPbBr3-Fe QDs 的化学状态。图4a～4c 比较了2 个样品的Cs3d、Pb4f和Br3dXPS 谱图。CsPbBr3-Fe QDs 的Cs3d谱图在723.6 和737.6 eV 处显示了2 个主峰，分别对应Cs3d5/2和Cs3d3/2；Pb4f的结合能峰出现在138.0 和142.7 eV 处，分别对应Pb4f7/2和Pb4f5/2[31]。相比于CsPbBr3QDs，CsPbBr3-Fe QDs 中的Cs3d、Pb4f峰均朝着更低结合能方向发生偏移，表明配体和QDs 之间形成了较强的配位作用，进而减弱了Cs、Pb 原子与Br 原子间的键合作用。此外，CsPbBr3-Fe QDs 样品的Br3d5/2和Br3d3/2结合能峰均相对CsPbBr3样品发生红移(向着更低能量侧发生偏移)[32]，这可能与AAI 中的O 原子与Pb 和Cs 相互作用有关，其导致Pb、Cs 和Br之间的相互作用减弱。总之，CsPbBr3中3 种元素的峰位均在AAI 配体修饰前后发生了显著的偏移，充分表明AAI已经与QDs形成化学键，实现了电子转移。图4d 显示了CsPbBr3-Fe QDs 和AAI薄膜中Fe2pXPS 谱图。结果表明，CsPbBr3-Fe QDs中的Fe 呈现出+3 价，与AAI 中的Fe 元素价态一致，表明加入配合物AAI 并没有改变CsPbBr3QD 的元素组成。AAI的作用与OA类似，其与无机QDs的结合方式为物理结合，仅负载于QDs表面，并未对QDs形成掺杂，可以实现载流子的传递。

图4 样品的(a)Cs3d、(b)Pb4f、(c)Br3d、(d)Fe2p的XPS谱图Fig.4 XPS spectra of(a)Cs3d,(b)Pb4f,(c)Br3d,and(d)Fe2p for samples

此外，还运用FTIR 光谱分析CsPbBr3QDs 与AAI 之间的相互作用，如图5 所示。具体来说，CsPbBr3-Fe QDs、CsPbBr3QDs 和AAI 均在1 456 和2 840～3 000 cm-1处出现吸收特征峰，我们将其归属于—CH—。样品CsPbBr3-Fe QDs 和CsPbBr3QDs中，位于715 cm-1附近的峰对应OA 配体中的—COOH，位于1 505和1 588 cm-1处的峰归属于OA的—COO[33]，其中出现OA 配体与QDs合成过程中使用到OA 有关，它可以限制CsPbBr3颗粒长大，使之成为QDs。而在CsPbBr3-Fe QDs 样品中观察到了515 和620 cm-1处的特征峰，该峰对应Fe—O 键的弹性振动和螯合环的变形振动[34]，这进一步验证了有机金属配体(AAI)已经成功地被配位到CsPbBr3QDs上，这对构建湿度传感薄膜以及实现有效的电荷转移十分有帮助。

图5 CsPbBr3、CsPbBr3-Fe和AAI的FTIR谱图Fig.5 FTIR spectra of CsPbBr3,CsPbBr3-Fe,and AAI

为了测试样品对湿度的响应，将CsPbBr3-Fe QDs旋涂在IDE 上以制作一个湿度传感器。在这项工作中，响应灵敏度(S)[35]反映了湿度传感器性能，即S=(Rn-R0)/R0或(Rn-R0)/Rn(分母为R0、Rn中的较小值，其中R0和Rn是湿敏传感器分别在空气中的电阻和在目标气体环境中的电阻)。响应、恢复时间[36]定义为传感器达到其最大稳定值的90%并恢复到该值的10%时分别对应的时间。我们前期的工作表明添加70 μL AAI 配体的混合溶液制成的CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器对10%RH 的响应最好[37]，与CsPbBr3-QDs 传感器相比，其性能提高了约14 倍，故在后续研究中选择添加70 μL AAI 配体的湿度传感膜为对象来研究其对不同湿度的响应。

CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器的传导机制遵循Anderson 和Parks 质子传导模型[38-39]，水分子首先解离形成自由质子：H2O→H++OH-，然后自由质子移动到相邻的水分子处形成H3O+：H++H2O→H3O+，并且在外部电场的作用下，质子从一个位置穿过势垒到另一个位置，从而形成了越来越多的质子转移导电通道：H3O++H2O→H2O+H3O+[40]。传感器性能与载流子迁移之间存在一定关系。当一定量的水分子被吸附时，表面载流子迁移量增加，并且总体载流子迁移量也逐渐增加。通过引入AAI 提高CsPbBr3QDs 的水稳定性，同时也改善QDs 与水分子间的接触率[41]，使其具有更高的湿敏性能。

图6a 显示了通过CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器的湿度-电流响应曲线，环境湿度的变化是通过传感材料的电阻值变化进行实时监测的。从图中可以看出，湿度传感膜的电阻值(Rn)随着环境湿度的升高而近似呈线性降低，表明钙钛矿材料对湿度有着较好的响应，为典型的湿敏电阻特征。当容器的RH 为0%时，传感器的电阻值约为1.6×108Ω，该值也被标定为基线(在图中用红色线条表示)，材料在任意湿度下的电阻值均比该值低。图6b 表明湿度传感器即便在70% RH(相对高的湿度)时也显示出良好的再现性。这些数据表明，湿度传感器在响应和恢复周期后可以保持足够的稳定性。图6c、6d 显示了CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器的响应/恢复时间曲线，可以看出在70% RH 下响应与恢复时间分别为32.9 和37.5 s，均小于60 s，表明该湿度传感器件有着良好的响应速度。图6e 显示了添加不同配体量对传感器性能的影响，当配体溶液添加到70 μL时，湿敏性能最优，约为未添加配体时的14 倍。图6f 是基于CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器对70% RH 连续8 d 的稳定性测试，结果表明该湿度传感器具有良好的稳定性，不易水解。

图6 CsPbBr3-Fe QDs湿度传感器的响应:(a)配体含量为70 μL的湿度传感器对不同湿度的实时响应(基线为0% RH);湿度传感器在室温对70% RH的(b)再现性、(c)响应时间和(d)恢复时间;(e)不同配体含量对10% RH的灵敏度;(f)湿度传感器对70% RH连续8 d的稳定性测试Fig.6 Response of CsPbBr3-Fe QDs humidity sensor:(a)real time response of humidity sensor with ligand content of 70 μL towards different humidities(the baseline was 0% RH);(b)reproducibility,(c)response time,and(d)recovery time of the humidity sensor towards 70% RH at room temperature;(e)sensitivity with different AAI concentrations towards 10% RH;(f)stability test of sensor towards 70% RH for 8 d

将所构筑的湿度传感器用于监测泄漏点，考虑到管道内确实可能存在各种气体，这就需要分析不同气体对CsPbBr3-Fe QDs 传感器性能的影响。因此，图7 给出了不同气体对该传感器性能的影响规律，气体浓度为1 000 cm3·m-3，相对湿度为50%，从中可以发现，该器件仅对SO2、H2S 有响应，而对CO、CH4、O2、CO2、NO2、NH3等均无显著响应。这或许与前2 种气体与CsPbBr3QDs 发生反应进而破坏其结构有关。而传感器对一些常规气体如CO、CH4、O2、CO2、NO2、NH3等几乎没有响应，这进一步表明该传感器可以用于大多数输气管道的泄漏检测。

图7 CsPbBr3-Fe QDs传感器对各种气体的响应特性Fig.7 Response characteristics of CsPbBr3-Fe QDs sensors to various gases

图8 模拟了矿井壁裂缝的空气泄漏，同时使用湿度传感器在管道外面缓慢移动，对泄漏点进行扫描探测。该井壁是用一个饮料瓶进行模拟，上面涂上泥土用于模拟矿井壁的实际情形，饮料瓶侧面割小口用以模拟实际裂纹。如图8a、8b 所示，裂缝宽度为1.5 mm，矿井中的RH 为90%，模拟对管道中的7 个位置的湿度测试。而图8c、8d 则分别是CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感样品在自然光、紫外光辐照情形下的外形特征，可以显著看出QDs 膜层在导电玻璃表面分布均匀，紫外光照下显示出绿色荧光发射特征。图8e 显示了模拟矿井气体泄漏下的情况，当把湿敏传感器放在不同位置就能够容易发现泄漏点(针孔或裂缝)位置。位置4 附近的电阻相比其它位置的电阻显著降低，这表明泄漏点就出现在该位置，传感器上的QDs 膜层接触到湿气使电阻率发生较大改变，这也为我们检测矿井壁裂缝或孔隙提供了简单的思路。

图8 实际矿井壁的空气泄漏模拟:(a)探测过程;(b)泄漏点位置;传感器在(c)自然光和(d)紫外光照射下的数码照片;(e)传感器在泄漏位置附近移动时的电阻值变化Fig.8 Simulation of air leakage from a mine wall:(a)detection process;(b)leakage location;digital photographs of sensor under(c)natural light and(d)ultraviolet light;(e)change in resistance value of sensor when moving across leakage location

图9 显示了模拟管道泄漏检测的真实场景，研究不同宽度的孔隙、多个孔以及不同风速时模拟RH 为90%下的检测结果。由图9a～9c 可知，当QDs湿度传感膜以均匀速度缓慢移动时，孔径分别为2、5 和8 mm 的条件下响应最充分时的相应电阻值分别为32.0、7.5 和1.7 MΩ。在相同湿度和相同风速下，孔径越大，其电阻的检测下限越低。这可能与孔径越宽，管道中的水分子与湿度传感膜之间的接触越充分有关。此外，也可以根据在不同位置检测到的响应电阻值不同确定泄漏点的位置，例如，图9a 显示泄漏点在位置4 附近，而恰好位置4 附近对应的电阻值最低，但随着孔径变宽，对泄漏点位置的探测精度也随之降低，例如，图9b 的实际孔隙位置在4处，但湿度传感器却对位置3和4同时都有响应。图9d 则模拟一个双孔管道，位置4 位于两孔中间，当传感器以恒定速度从3 号缓慢移动到4 号时，响应电阻从32.5 MΩ 上升到71.2 MΩ，而当从位置4缓慢均匀移动到位置5 时，响应电阻从71.2 MΩ 降至42.1 MΩ。显然，位置3 和位置5 处的电阻值均比位置4 处电阻值低很多。这意味着该管道存在着2个孔，孔隙出现在3 和5 周围，因此可以精准定位多孔泄漏。由图9e 和9f 可知，CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感膜不仅可以对泄漏孔进行精确定位，还可测量泄漏孔处的气体流速。结果表明，在相同湿度下，湿气流量越大，其电阻值下限越低。这是由于流速不同，水分子与传感器的接触速率也会不同，因而QDs膜的电阻值不同。

图9 管道孔隙的检测模拟:(a～c)具有不同孔径的孔实时位置检测;(d)双孔实时定位和检测;湿度流速为(e)1 m·s-1和(f)2 m·s-1的孔实时位置检测Fig.9 Simulation of pipeline pore detection:(a-c)real time location and detection of holes with different apertures;(d)real time positioning and detection of double hole;(e,f)real time location and traffic of holes with different humidity flow rate of(e)1 m·s-1 and(f)2 m·s-1

最后，我们还使用有限元软件[42]对图9e、9f中管道微裂纹漏气效果进行模拟，其结果如图10 所示，设计管道中部有一条裂纹，裂纹宽度为1.5 mm。整张图中，由于湿度不可可视化，则通过流速场和相对压力场去反映湿度的区域变化，以此来与实际测量中不同位置的湿度变化相呼应。图10a 和10b 显示了管道内外的流速场的流迹线，气流从管道的一端进入，另一端流出，即从右端进入，向着左端流出。气流的流动状态由箭头模拟，以不同颜色的箭头来表示气流的不同流速，即从蓝色变为红色表示流速从慢到快。图10a表明内部流速场流动相对平稳；图10b显示了湿气在管道外部的流动轨迹，其从孔洞处向前和两侧流动；图10c和10d显示了管道外不同流速场的模拟结果。我们发现不同位置的流速有很大不同，中间流速最大，两侧依次递减，这与图8 和9 中不同位置湿度传感膜(器件)的实际检测电阻值的结果相对应，说明我们采用湿度传感器的方法检测管道不同区域的湿度，以此确定泄漏点密度是可行的。而且图10d中泄漏处的红色部分面积明显大于图10c，说明不同流速对应的流速场面积不同，流速较大的中强风区也较大，单位时间内水分子与传感器接触更加充分。这与图9e、9f 中显示流速的改变导致其响应电阻值改变的现象相对应，即风速越大其响应电阻值的变化越大。图10e 和10f显示了管道微裂纹外部压力场的模拟，这也与图10c和10d中对流速场的模拟结果一致。

图10 管道微裂纹的有限元模拟:管道(a)内部和(b)外部流场分布;(c、d)不同外部流速场的模拟;(e、f)不同外部压力场的模拟Fig.10 Finite element simulation of pipeline microcracks:distribution of flow field(a)inside and(b)outside the pipeline;(c,d)simulation of different flow velocity fields outside the pipeline;(e,f)simulation of different pressure fields outside the pipeline

3 结 论

总之，通过溶液法成功合成出以AAI 为配体改性的钙钛矿型CsPbBr3-Fe QDs 材料，进而制备出湿度传感器，该器件表现出对空气湿度优异的响应，可实现RH 从0%～100%的良好响应。在70% RH下，响应、恢复时间分别为32.9 和37.5 s。同时，基于CsPbBr3-Fe QDs的湿度传感器也在室温下表现出良好的可重复性、再现性和对湿度的选择性，在基于金属卤化物钙钛矿的传感器中处于领先水平。随后，还利用CsPbBr3-Fe 湿度传感器的良好灵敏度和响应、恢复时间来模拟检测管道的泄漏点位置和流速。首次提出了基于CsPbBr3-Fe湿度传感器的经济、便捷的管道泄漏检测方法。同时，通过对管道空气泄漏的模拟检测，可以更准确地检测气体泄漏点位置，进一步证明了CsPbBr3-Fe QDs 湿度传感器在管道泄漏检测中的可行性。