平板式氧传感器的制备及性能研究

论文摘要

平板式氧传感器由于具有响应时间快、尺寸小、成本低、性能可靠等优点,成为汽车尾气控制的主流产品。它是由多层结构经过叠加共烧结制备的,各层结构的性能直接关系氧传感器性能的优劣。钪钇共掺杂稳定的氧化锆具有相结构稳定、电导率高、抗热震性好等优点,但关于其应用于汽车氧传感器的相关研究未见报道。本文采用甘氨酸-硝酸盐（GNP）法制备了钇钪共掺杂氧化锆（2Y-11ScSZ）超细粉体,采用SEM.XRD.BET等方法对粉体进行了表征,结果表明：2m01%的Y203加入11ScSZ中抑制了相的转化,稳定了立方相结构,添加1.5%的PEG400作为分散剂,制备的粉体颗粒分散均匀、无团聚现象,且颗粒基本成球形。将制备的粉体采用流延法制成薄膜样品,流延浆料的最优配比为（占粉体的质量分数）丁酮：15%,异丙醇：11%,松油醇：2.8%,聚乙烯醇缩丁醛：4.5%,邻苯二甲酸二乙酯：15%,聚乙二醇400：7.5%。通过对有机添加剂及流延浆料的DTA-TG分析,确定了2Y-11ScSZ样品的烧结程序,在1350℃得到相对密度为98%致密2Y-11ScSZ样品。铂电极容易中毒失效,通常通过涂覆多孔层进行防护,目前关于电极多孔保护层研究最多的是镁铝尖晶石,但由于热膨胀系数的差异,其在使用过程容易脱落。因此研究改进电极多孔保护层材料,提高氧传感器的抗劣化性能尤为重要。根据液相烧结理论,研究了三种制备电极多孔保护层的浆料配方：配方一以氧化铝和氧化锆为主要原料,氟化铝和氟化钡为助熔剂,在1350℃制得附着性强,抗热震性优异的多孔保护层,测得其气孔率为66.77%,平均线膨胀系数为10.29×10-6/℃；配方二以氧化铝和镁铝尖晶石为主要原料,根据镁铝尖晶石高温下分解产生液相制备多孔保护层。当mMgAl2O4/mAl2O3（0.3-5μm）为3%～5%时,制备的多孔氧化铝保护层的气孔率为66.35%～66.60%,且与基体附着性好,抗热震性能优异,测得其平均线膨胀系数为8.25×10-6/℃,当镁铝尖晶石含量过多时,样品呈现烧结致密化现象；配方三以两种不同粒径的氧化铝为原料,根据烧结活性的不同来制备多孔保护层。当mAl2O3（10nm）/mAl2O3（0.3-5μm）为0.5%～1.5%时,得到与基体粘接性能好,抗热震性能好的多孔保护层,测得其气孔率在66.40%～66.53%之间,平均线膨胀系数为8.42×10-6/℃,当Al2O3（10nm）含量过多时,样品出现过烧现象。上述三种配方均能实现与基体的附着并且抗热震性能优异。从平均热膨胀系数的角度分析,配方一的效果最优,其他两种配方也达到平板式氧传感器对电极多孔保护层的要求。此外,发动机在启动和关闭时,氧传感器的温度变化剧烈,多孔过渡层可以提高氧传感器的抗热震性。采用添加造孔剂与流延相结合的方法制备了多孔过渡层,研究了造孔剂的形状及颗粒的大小对样品的形貌和孔径的影响,并对多孔过渡层与固体电解质基体的共烧结进行了研究结果表明：造孔剂颗粒的形状决定多孔过渡层的形貌,所选的造孔剂要不溶于其浆料中所用的溶剂,才能在宏观上形成孔洞。此外,由于多孔过渡层采用的主原料与基体材料相同,粘接处产生的残余应力小,粘接效果好。通过电化学分析仪对样品进行电性能的分析,然后进行抗热震和响应性能的实验。结果表明：在800℃时,8YSZ薄膜样品电导率是0.040S·cm-1,2Y-11ScSZ薄膜的电导率是0.091S·cm-1,电导率比8YSZ提高了2倍；平板式氧传感器的抗热震性能优于管式样品,2Y-11ScSZ样品比8YSZ样品抗热震性能优异；通过实验,得到2Y-11ScSZ平板式氧传感器的响应时间最短,t300mV-600mV为84ms,t600mV-300mV为173ms。由此可见,2Y-11ScSZ固体电解质材料由于高的电导率和稳定性,应用于平板式氧传感器,响应时间更短,灵敏度更高

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车用氧化锆氧传感器简介
• 1.1.1 汽车氧传感器的发展
• 1.1.2 平板式氧传感器的分类与原理
• 1.2 掺杂稳定的氧化锆基固体电解质的研究与制备
• 1.2.1 氧化锆的晶体结构及导电机理
• 1.2.2 掺杂稳定的氧化锆基固体电解质的研究
• 1.2.3 氧化锆基固体电解质粉体的制备技术
• 1.2.4 氧化锆基固体电解质膜的制备
• 1.2.5 氧化锆基固体电解质的烧结工艺
• 1.3 氧传感器多孔层的研究与制备
• 1.3.1 电极多孔保护层的研究与制备
• 1.3.2 多孔氧化锆过渡层的研究与制备
• 1.4 平板式氧传感器的性能表征
• 1.4.1 氧传感器的抗热震性能
• 1.4.2 氧传感器的响应性能
• 1.5 本论文的研究目的、意义和内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 研究的内容
• 第2章 钇钪共掺杂氧化锆的制备与研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验的药品与仪器
• 2.2.1 原料与药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 样品的制备与测试方法
• 2.3.1 样品的制备
• 2.3.2 样品的测试分析方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 甘氨酸用量对粉体性能的影响
• 2.4.2 分散剂的用量对粉体性能的影响
• 2.4.3 流延浆料的确定
• 2.4.4 流延样品烧结程序的确定
• 2.4.5 烧结温度对流延样品的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 氧传感器多孔层的制备
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备与测试方法
• 3.2.1 多孔过渡层的制备
• 3.2.2 电极多孔保护层的制备
• 3.2.3 样品的测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 多孔过渡层的研究
• 3.3.2 多孔氧化铝保护层的研究及表征
• 3.4 氧传感器的叠加烧结
• 3.5 本章小结
• 第4章 氧传感器的组装及性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备与测试
• 4.2.1 样品的制备及电性能的测试
• 4.2.2 样品的制备及抗热震和响应性能的测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 样品电性能的分析
• 4.3.2 样品的抗热震性能分析
• 4.3.3 氧传感器响应性能的分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢