致密扩散障极限电流型氧传感器的制备与研究

摘要

固体电解质作为氧传感器的核心部分之一，对氧传感器的工作温度与各方面性能起着决定性的作用。绝大多数的氧传感器的固体电解质材料都是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，但是这会导致氧传感器工作温度过高，过高的工作温度会引起一系列问题，如密封困难、能耗高、电极材料匹配困难等。本文将La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ作为氧传感器的固体电解质材料，Ba1-xCo0.9-yFeyNb0.1O3-δ等作为氧传感器的扩散障材料，分别从降低传感器的工作温度和提高传感器的结构稳定性方面入手，系统的研究了材料的性能以及极限电流型氧气传感器的性能。主要的研究方案和实验结论如下:
　　一、利用固相合成法制备了La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ(LSGM)固体电解质材料。将所制备的样品在1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃下烧结20h后测试线性收缩率、相对致密度、SEM、XRD和电导率。测试结果显示:1450℃烧结陶瓷的表面气孔较少，晶粒排列紧密，相对密度高达96.5％，样品为单一的LSGM钙钛矿相。离子电导率测试结果表明，1450℃烧结的陶瓷在450～850℃时电导率最大，850℃时的离子电导率达到了0.068S/cm。所以，1450℃保温的陶瓷的性能最为优越，用来制作氧传感器更为合适。
　　二、利用固相合成法制备了BCFN系列的扩散障材料。将所制备的材料在1150℃下保温10h，测试烧结后样品相对密度、SEM、XRD和电导率。测试结果显示:烧结陶瓷的表面气孔较少，晶粒排列紧密，相对密度可达94.8％，样品为纯的钙钛矿相，电导率较大。BCFN陶瓷基本满足扩散障层的标准要求，可以作为致密扩散障材料。
　　三、以降低传感器的工作温度为出发点，制备了将LSM、BCFN系列作为扩散障，LSGM作为固体电解质的极限电流型氧传感器。以Ba0.9Co0.3Fe06Nb0.1O3-δ(BCFN4)为扩散障的极限电流型氧传感器在测试温度为680℃时就出现了极限电流平台，低于一些同类型的传感器的工作温度，达到了一定程度上的降低传感器的工作温度的目的。传感器的氧浓度与极限电流存在良好的线性关系，能测1％～8％范围的氧含量。
　　四、以提高致密扩散障极限电流型氧传感器结构稳定性方面为出发点，分别用LSGM、8YSZ作为扩散障碍层、LSGM作为固体电解质层制备了离子扩散障极限电流型氧传感器。当测试温度为630℃和670℃、氧浓度为1％～21％时，以LSGM作为扩散障碍层的氧传感器出现了极限电流平台，但氧传感器的极限电流与氧浓度并不具有线性关系，氧浓度与极限电流的比值与氧浓度具有线性关系。

目录

摘要

引言

第一章文献综述

1．1．汽车氧传感器的发展历程

1．2．极限电流型氧传感器

1．2．1．小孔极限电流型氧传感器

1．2．2．多孔极限电流型氧传感器

1．2．3．混合导体扩散障极限电流型氧传感器

1．2．4．离子扩散障极限电流型氧传感器

1．3．固体电解质

1．3．1．固体电解质概述

1．3．2．La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ固体电解质

1．4．致密扩散障材料

1．4．1．致密扩散障概述

1．4．2．致密扩散障材料研究现状

1．4．3．Ba1-xCo0.9-yFeyNb0.1O3-δ钙钛矿材料

第二章研究内容与测试方法

2．1．课题的研究内容

2．2．实验试剂与设备

2．3．测试方法

2．3．1．线收缩率与相对密度

2．3．2．物相分析

2．3．3．微观形貌分析

2．3．4．电导率测试

2．3．5．氧传感器性能分析

第三章La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ固体电解质的制备及性能研究

3．1．引言

3．2．2．LSGM粉体制备过程

3．3．结果与讨论

3．3．1．相对密度与线性收缩率

3．3．2．微观形貌分析

3．3．3．XRD结果分析

3．3．4．电导率结果分析

3．4．本章小结

第四章Ba1-xCo0.9-yFeyNb0.1O3-δ材料的制备及性能研究

4．1．引言

4．2．实验

4．3结果与讨论

4．3．1．BCFN陶瓷的致密性研究

4．3．2．BCFN陶瓷的微观形貌研究

4．3．3．物相结果分析

4．3．4．电导率结果分析

4．4．本章总结

第五章致密扩散障极限电流型氧传感器的研究

5．1．引言

5．2．实验

5．2．1．以LSM作为扩散障材料的氧传感器的制备

5．2．2．以BCFN作为扩散障材料的氧传感器的制备

5．3．测试结果与讨论

5．3．1．以LSM作为扩散障的氧传感器的测试

5．3．2．以BCFN作为扩散障材料的氧传感器的测试

5．4．本章总结

第六章离子致密扩散障极限电流型氧传感器的研究

6．1．引言

6．2．实验

6．2．2．传感器的制备

6．3．实验结果与讨论

6．3．1．LSGM作为扩散障材料的传感器测试与分析

6．3．2．以8YSZ作为扩散障材料的传感器测试与分析

6．4．本章总结

第七章结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢

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