基于LSCF/SDC致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的研究

摘要

日益严重的全球能源枯竭、环境污染等问题成为人类在新世纪中所面临的重要考验。氧传感器在环保、节能等方面所起到的积极作用越来越明显。致密扩散障碍层极限电流型氧传感器可以解决孔隙型极限电流氧传感器所存在的相关问题,氧敏特性更好,测量范围更宽,结构更加简单、响应速度更快、稳定性更高、制造成本更低,具有减少污染和节约能源双重功效,在应用上具有非常好的前景。本文基于以上理论,在前人的基础上,用La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ(LSCF)固体电子-离子混合导体材料作为氧传感器的致密扩散障碍层材料,氧传感器的固体电解质采用Sm掺杂的CeO2(Ce0.8Sm0.2O1.9,SDC)材料,通过利用瓷片复合工艺制备出了一种新型的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器,并比较系统的研究了其氧敏性能等。
　　采用溶胶凝胶法制备了固体电解质材料Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC),应用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对粉体进行了表征,考察了烧结收缩率及烧结致密度。制备出了SDC固体电解质陶瓷。
　　采用溶胶凝胶法制备了致密扩散障碍层材料La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ(LSCF),主要应用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对粉体的物相结构进行了研究,对其预烧温度、保温时间、烧结致密度和烧结收缩率进行了考察。制备出LSCF致密扩散障碍层陶瓷。
　　将烧结好的SDC固体电解质陶瓷与LSCF致密扩散障碍层陶瓷利用瓷片复合工艺进行复合,之后对复合之后的陶瓷体密封处理,这样就制成了实验所需的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的样品。对这种极限电流型氧传感器的氧敏性能进行比较系统的测试研究,其结果表明,以LSCF做为致密扩散障碍层材料、SDC做为固体电解质材料的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器,在700℃温度下,体积分数为0％~21%范围内,均能获得良好的极限电流平台,极限电流最大值达120mA;出现极限电流平台的电压区间为0.8V~1.2V;极限电流与氧体积分数呈很好的线性关系;反应时间约20s~30s,测量误差为±3%。
　　为进一步探究极限电流大幅提高的原因及进一步提高极限电流与氧体积分数对映的精准性,引入电子阻碍材料BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb),来抑制极限电流氧传感器工作过程中由于电子导电而产生的影响。采用相同的方法制备出了引入电子阻碍材料的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器,对其氧敏性能进行了系统测试。测试结果表明,在700℃温度下,氧体积分数为0%~21%范围内,均能获得良好的极限电流平台,极限电流最大值达25mA,引入电子阻碍材料后极限电流值明显减小;出现极限电流的激励电压与未引入电子阻碍材料前相比较基本相同;极限电流平台持续的电压区间为0.5V~1.4V,与未引入电子阻碍材料前相比区间范围有所变大;极限电流与氧体积分数呈很好的线性关系;反应时间较未引入电子阻碍材料前有较大缩短,约为5s~10s;测量误差也有大幅提高,约为±1%。
　　本课题对致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的相关研究,为该种类型的氧传感器能够尽快实现工业化生产与应用提供了一定的理论基础与实验数据支持依据。

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1文献综述

1.1引言

1.2氧传感器

1.3极限电流型氧传感器

1.4氧传感器基体材料——SDC固体电解质

1.5致密扩散障碍层材料——固体电子离子混合导体材料

1.6选题的目的和意义

2实验过程

2.1实验原料及仪器设备

2.2氧传感器材料粉体的制备

2.3氧传感器材料陶瓷烧结体的制备

2.4氧传感器样品的制备

2.5性能测试

3氧传感器材料性能测试

3.1 SDC固体电解质材料的性能分析

3.2 LSCF致密扩散障碍层材料性能分析

4氧传感器性能测试

4.1氧传感器样品的显微结构分析

4.2致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的测试原理

4.3氧传感器的氧敏性能分析

5氧传感器材料物理尺寸对氧传感器性能的影响

5.1固体电解质物理尺寸对氧传感器性能的影响

5.2致密扩散障碍层材料物理尺寸对传感器性能的影响

6电子阻碍材料对氧传感器的影响

6.1电子阻碍材料BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ简介

6.2电子阻碍材料的制备

6.3电子阻碍材料物相分析

6.4加入电子阻碍材料后极限电流氧传感器的制备

6.5加入电子阻碍材料后氧传感器的氧敏性能测试

参考文献

致谢