1）碳纤维电极

如前所述，Ag／AgCl电极存在维护过程难（需要避光保存，持续浸泡在盐水中）、不便于运输、寿命短（3～5年）等不足。这些不足使得人们将目光投向其他材质的电极，而碳纤维便是其中之一。碳纤维电极由多根细碳纤维经过物理化学表面处理，其化学性质为惰性，相比Ag／AgCl电极具有皮实耐用的优势，在高频段具有较低的噪声水平，也被应用于水下电场测量。碳纤维电极的实验室研究表明，静态电磁环境中，它们对于较高频率的信号具有很低的自噪声，这使得碳纤维非常适合于远程参考目的或用于快速变化的电场信号测量，且碳纤维电极的频率响应特性与Ag／AgCl相比并不差。

碳纤维电极自20世纪70年代发明以来，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表。碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维状碳材料，不仅具有碳材料的本征特性，还兼备纺织纤维的可加工性，碳纤维具有密度低、高强高模、耐高温、抗辐射、耐化学腐蚀、导电导热、热膨胀系数小、比表面积很大等一系列优异的性能和特点。采用碳纤维材料制成的传感器有一系列优点：

第一，碳纤维材料非常均匀，因此在高产量的制造过程中，电极具有均匀的特性。第二，碳纤维传感器具有良好的表面重量比，因此容易获得大的表面积，从而降低了与水的接触电位。第三，纤维材料能够承受环境中的化学变化，在沿海水域中，电化学活性高和传感器性能随时间的推移而降低是一个重要特性。第四，碳纤维电极有优越的防污性能，试验证明在12 m的浅水里，即在透光区，8个月后，贻贝苔藓虫和面盘幼虫也不能附着在它们身上。

瑞典国防科研院所研制的碳纤维电极是由一种常用的纤维制成（型号TORAY T300），表面重量比为0.5 m2／g。电极由大约120万根纤维组成，单根纤维直径为7μm，单根长度为20 cm。将纤维束所有纤维与外部金属线进行电气连接，并用环氧树脂灌封保证连接点的水密。此后在溶剂中洗涤纤维束，以去除多余的软性环氧涂层，留下清洁的表面，用于与海水接触，传递电场信号。

碳纤维呈电容特性，电极易极化，导致电极电位不稳定。研究表明，对碳纤维进行表面处理可有效改善碳纤维电极特性。常见的处理方法包括表面热处理、纳米处理、生物酶、表面活化处理、碳纤维纸。进行进一步研究，在碳纤维清洗工艺的基础上，在马弗炉的高温（445℃、465℃、485℃）里保温4 h，静止冷却至室温，用蒸馏水清洗后自然风干待用。结果表明，热处理温度的提高能显著提高电极在海水中的电位稳定性、抗极化性能及电极自噪声稳定速度。

未经表面处理的碳纤维表面碳碳之间以非极性共价键连接，碳纤维晶界间呈平行的石墨微晶乱层结构，导致碳纤维表面度很小，表面呈现化学惰性和憎液性。而经过热处理后的碳纤维，由于比表面积变化、碳纤维表面亲水基团的增加及表面性能的改变，有效提高了电极的稳定性和抗极化性能。碳纤维电极表面修饰技术的实质就是通过改变电极表面修饰物来大范围地改变反应电位和反应速率，在分子水平上实现碳纤维电极的功能设计，使电极本身除具有传递电子的功能外，还能对电化学反应进行某种促进与选择。

碳纤维电极克服了由于温度和盐度的差异等因素引起的化学稳定性，如极化噪声和漂移，这种类型的电极适用于快速布阵模式和高可靠性应用。但是它在DC和长周期时传感器噪声超过放大器等效输入噪声，因此对于频率低于约1 m Hz的电场信号不敏感。

2）Ti电极

美国加州大学Scripps海洋研究所为克服Ag／AgCl电极在维护、运输、寿命等方面的不足，开展了Ti电极的研制工作。在Ti薄板上涂有几十纳米厚的氧化钛层，区别于AgCl的电化学原理，Ti电极为电容电荷耦合原理。

图4.20为在现有海底电磁接收机上平行安装有AgCl电极和Ti电极的实物图，Ti电极极距分别测试1 m和10 m两种情况，AgCl电极极距10 m。对比了Ti电极与已有的Ag／AgCl电极性能，进行了平行测试。图4.21为海试测试结果，表明Ti电极在1 m极距条件下的本底噪声大于传统的Ag／AgCl电极，而在10 m极距条件下噪声水平要优于传统的Ag／AgCl电极。(www.daowen.com)

图4.20　Ti电极与AgCl电极对比测试实物图

图4.21　Ti电极与AgCl电极噪声对比图

Ti电极在长极距条件下展现的低噪声水平优于AgCl电极，同时还具有干电极（无须浸泡海水保存）的特征，使得Ti电极在水下电场观测中展现了强大的生命力。

3）镍酸钐电极

美国普渡大学的研究人员研发出镍酸钐（SmNiO3）传感器，这种传感器可在海水中检测微弱电场，并且颜色随之改变；在盐水中性能稳定，可用于探测舰艇、无人潜航器或海洋生物的电场信号。

镍酸钐是一种钙钛矿结构的稀土族镍酸盐，属于具有强电子关联的量子材料。在海水环境的负电位作用下，H+进入镍酸钐晶格，形成氢化镍酸钐。这种质子流导致镍原子的三维轨道电子构型发生变化，电阻特性发生极大改变，导致强烈的莫特-哈伯德电子间作用，材料从金属转变为绝缘体。研究人员将镍酸钐置于NaCl溶液中浸泡24 h，电阻-温度曲线变化极小，表明镍酸钐在海水中具有较好的稳定性。对浸泡在NaCl溶液中的镍酸钐施加0～4 V的负电压后，镍酸钐的电阻增加了10万倍，并伴随明显的颜色变化（由黄色变为蓝色）；同时电阻随温度升高而线性下降。施加正压后，材料还可恢复原有的电阻特性。研究人员试验了镍酸钐在5 m V～0.5 V的电阻变化情况，电阻-电压曲线呈线性变化，低于5 m V的电压作用可通过线性外推获得。使用精度100 nΩ的电阻测量器件，镍酸钐传感器的电压灵敏度可达4.5μV。

镍酸钐传感器可通过检测海水中微弱的电信号监视舰艇、无人潜航器等的活动，为反潜提供了一种新的探测手段。此外，还可用作热电阻、p H传感器，或用于研究海洋生态系统。