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。
- 作 者：
- 从洪云
- 学科专业：
- 物理化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 湖南大学
- 导师姓名：
- 李素芳
- 学位年度：
- 2011
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
