平板式氧傳感器的制備及性能研究.pdf

1、平板式氧傳感器由于具有響應(yīng)時(shí)間快、尺寸小、成本低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),成為汽車尾氣控制的主流產(chǎn)品。它是由多層結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)疊加共燒結(jié)制備的,各層結(jié)構(gòu)的性能直接關(guān)系氧傳感器性能的優(yōu)劣。鈧釔共摻雜穩(wěn)定的氧化鋯具有相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電導(dǎo)率高、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn),但關(guān)于其應(yīng)用于汽車氧傳感器的相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道。
　　本文采用甘氨酸-硝酸鹽(GNP)法制備了釔鈧共摻雜氧化鋯(2Y-11ScSZ)超細(xì)粉體,采用SEM.XRD.BET等方法對(duì)粉體進(jìn)行了表征,結(jié)果表

2、明:2m01％的Y203加入11ScSZ中抑制了相的轉(zhuǎn)化,穩(wěn)定了立方相結(jié)構(gòu),添加1.5%的PEG400作為分散劑,制備的粉體顆粒分散均勻、無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象,且顆粒基本成球形。將制備的粉體采用流延法制成薄膜樣品,流延漿料的最優(yōu)配比為(占粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))丁酮:15%,異丙醇:11%,松油醇:2.8%,聚乙烯醇縮丁醛:4.5%,鄰苯二甲酸二乙酯:15%,聚乙二醇400:7.5%。通過(guò)對(duì)有機(jī)添加劑及流延漿料的DTA-TG分析,確定了2Y-11ScSZ

3、樣品的燒結(jié)程序,在1350℃得到相對(duì)密度為98%致密2Y-11ScSZ樣品。鉑電極容易中毒失效,通常通過(guò)涂覆多孔層進(jìn)行防護(hù),目前關(guān)于電極多孔保護(hù)層研究最多的是鎂鋁尖晶石,但由于熱膨脹系數(shù)的差異,其在使用過(guò)程容易脫落。因此研究改進(jìn)電極多孔保護(hù)層材料,提高氧傳感器的抗劣化性能尤為重要。根據(jù)液相燒結(jié)理論,研究了三種制備電極多孔保護(hù)層的漿料配方:配方一以氧化鋁和氧化鋯為主要原料,氟化鋁和氟化鋇為助熔劑,在1350℃制得附著性強(qiáng),抗熱震性優(yōu)異的多

4、孔保護(hù)層,測(cè)得其氣孔率為66.77%,平均線膨脹系數(shù)為10.29×10-6/℃;配方二以氧化鋁和鎂鋁尖晶石為主要原料,根據(jù)鎂鋁尖晶石高溫下分解產(chǎn)生液相制備多孔保護(hù)層。當(dāng)mMgAl2O4/mAl2O3(0.3-5μm)為3%~5%時(shí),制備的多孔氧化鋁保護(hù)層的氣孔率為66.35%~66.60%,且與基體附著性好,抗熱震性能優(yōu)異,測(cè)得其平均線膨脹系數(shù)為8.25×10-6/℃,當(dāng)鎂鋁尖晶石含量過(guò)多時(shí),樣品呈現(xiàn)燒結(jié)致密化現(xiàn)象;配方三以兩種不同粒徑

5、的氧化鋁為原料,根據(jù)燒結(jié)活性的不同來(lái)制備多孔保護(hù)層。當(dāng)mAl2O3(10nm)/mAl2O3(0.3-5μm)為0.5%~1.5%時(shí),得到與基體粘接性能好,抗熱震性能好的多孔保護(hù)層,測(cè)得其氣孔率在66.40%~66.53%之間,平均線膨脹系數(shù)為8.42×10-6/℃,當(dāng)Al2O3(10nm)含量過(guò)多時(shí),樣品出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象。上述三種配方均能實(shí)現(xiàn)與基體的附著并且抗熱震性能優(yōu)異。從平均熱膨脹系數(shù)的角度分析,配方一的效果最優(yōu),其他兩種配方也達(dá)到平

6、板式氧傳感器對(duì)電極多孔保護(hù)層的要求。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí),氧傳感器的溫度變化劇烈,多孔過(guò)渡層可以提高氧傳感器的抗熱震性。采用添加造孔劑與流延相結(jié)合的方法制備了多孔過(guò)渡層,研究了造孔劑的形狀及顆粒的大小對(duì)樣品的形貌和孔徑的影響,并對(duì)多孔過(guò)渡層與固體電解質(zhì)基體的共燒結(jié)進(jìn)行了研究結(jié)果表明:造孔劑顆粒的形狀決定多孔過(guò)渡層的形貌,所選的造孔劑要不溶于其漿料中所用的溶劑,才能在宏觀上形成孔洞。此外,由于多孔過(guò)渡層采用的主原料與基體材料相同,粘

7、接處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小,粘接效果好。通過(guò)電化學(xué)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行電性能的分析,然后進(jìn)行抗熱震和響應(yīng)性能的實(shí)驗(yàn)。
　　結(jié)果表明:在800℃時(shí),8YSZ薄膜樣品電導(dǎo)率是0.040S·cm-1,2Y-11ScSZ薄膜的電導(dǎo)率是0.091S·cm-1,電導(dǎo)率比8YSZ提高了2倍;平板式氧傳感器的抗熱震性能優(yōu)于管式樣品,2Y-11ScSZ樣品比8YSZ樣品抗熱震性能優(yōu)異;通過(guò)實(shí)驗(yàn),得到2Y-11ScSZ平板式氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間最短,t300mV