ZrO2-Y2O3-MgO三元系气敏材料的制备和相关性能的研究

论文摘要

在ZrO2—Y2O3二元系统中添加第三组元从而构成三元系统是目前ZrO2基固体电解质材料研制领域的一个热点。由于MgO的价格远低于Y2O3，因而从电性能／价格比角度而言，ZrO2—Y2O3—MgO三元电解质材料较之于传统的Y2O3稳定ZrO2材料具有更强的市场竞争力，是一个很有发展潜力的新系统。本论文立足于汽车用浓差型氧传感器的研究，根据相关氧传感器的生产流程，对汽车用氧传感器的核心部件ZrO2—Y2O3—MgO（MY系列）固体电解质器件生产中粉体的混合、蜡浆的制备、模具制备、烧结工艺、电极制作、成品的电性能测试，抗热震性能测试等方面进行了细致的研究。 由电性能测试结果可知，输出电压随测试温度的升高而增加，但变化是非线性的。随温度的升高氧离子的激活能降低，因而引起跃迁几率增加，同时还有一些本征空位也参与氧离子的传输，从而随着温度的增加使得通过ZrO2固体电解质中的氧离子数目增加，开路电压较低温情况下迅速增加。 氧化锆材料的离子导电率与掺杂氧化物化学成分及其含量有关，掺杂量增加到某一值时，离子导电率对每种成分掺杂会出现不同的极大值。本文中MY系列中，导电率最高时，掺杂物的含量分别为：Y2O3为3mol％，MgO为5mol％。同时，当掺杂高于这一值时，其离子导电率反而下降。 利用X-Ray衍射、SEM、电子探针等测试手段研究了ZrO2气敏材料的微观结构，通过试验结果的分析，发现试样烧结较为理想。从SEM显微结构分析，加入第二种稳定剂后，颗粒分布较为均匀，有部分晶粒长大现象。从电子探针显微结构分析显示，各个试样中MgO与ZrO2混合的比较均匀，MgO没有发生偏析，部分聚集等现象。 由抗热震性测试结果可知，MY系列中，随MgO含量的增加，抗热震性升高，在5mol％左右达到最大值，然后随MgO含量的增加而降低。MgO加入基体材料后产生双晶结构并伴生气孔，因其形成ZrO2晶粒中MgO含量外高内低的“核”结构，提高了ZrO2材料的抗热震性能。但是，MgO的加入量超过一定值（5mol％左右）时，MgO在晶界上的严重偏聚又降低了ZrO2复合材料的抗热震

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 气敏陶瓷的分类及其导电机理
• 1.2.1 半导体气敏陶瓷
• 1.2.2 固体电解质气敏陶瓷
• 1.3 氧化锆氧传感器的研究进展
• 1.3.1 浓差电池式氧传感器的研究进展
• 1.3.2 界限电流式氧传感器的研究进展
• 1.4 氧化锆传感器的制备
• 1.4.1 氧化锆陶瓷粉体的制备
• 1.4.2 氧化锆陶瓷的成型
• 1.4.3 氧化锆陶瓷的烧结
• 1.4.4 电极的制备
• 1.5 影响氧化锆导电性的因素
• 1.5.1 稳定剂的影响
• 1.5.2 颗粒尺寸的影响
• 1.6 目前存在的问题
• 1.7 研究目的与研究内容
• 1.8 技术路线
• 参考文献
• 第二章 氧化锆气敏元件的制备
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 仪器和设备
• 2.2 模具的制作
• 2.3 氧化锆复合粉体浆料的制备
• 2.3.1 复合粉体的制备
• 2.3.2 浆料的制备
• 2.3.3 浆料中蜡含量的影响因素
• 2.4 坯体的成型
• 2.4.1 成型工艺
• 2.4.2 缺陷及其克服方法
• 2.5 排蜡
• 2.5.1 排蜡过程
• 2.5.2 影响因素
• 2.6 烧结
• 2.7 电极的制备
• 2.7.1 预处理
• 2.7.2 涂覆及烧结
• 参考文献
• 第三章 氧化锆陶瓷的物理性能与微观结构
• 3.1 物理性能
• 3.1.1 真密度的测定
• 3.1.2 电性能的测定
• 3.1.3 结果分析与讨论
• 3.2 显微结构
• 3.2.1 试样制备
• 3.2.2 检测手段
• 3.2.3 检测结果与分析
• 3.3 分析与讨论
• 参考文献
• 第四章 氧化锆材料电性能的研究
• 4.1 氧化锆气敏材料的测氧原理
• 4.2 掺杂物与电性能的关系
• 4.2.1 选择掺杂物金属原子的基本原则
• 4.2.2 二元系氧化锆固体电解质材料
• 4.2.3 三元系氧化锆固体电解质材料
• 4.3 温度对电性能的影响
• 4.4 电极对电性能的影响
• 4.5 其它影响电性能的因素
• 参考文献
• 第五章 氧化锆陶瓷材料的抗热震性
• 5.1 试验方法与结果
• 5.2 氧化锆材料的热震机制
• 5.2.1 应力诱导相变抗热震机制
• 5.2.2 微裂纹抗热震机理
• 5.3 影响抗热震性的因素
• 5.3.1 气孔对抗热震性能的影响
• 5.3.2 第二相粒子对抗热震性能的影响
• 5.3.3 成型性能对抗热震性能的影响
• 5.3.4 排蜡制度对抗热震性能的影响
• 5.3.5 氧空位对抗热震性能的影响
• 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表