基于二氧化锆的氧泵设计与制造

摘要

本文工作主要基于能斯特方程原理设计并制造能够连续调节氧分压的装置——氧泵，并进一步利用材料电导率与氧分压、温度、组分的关系，来验证氧泵的可行性。
　　在研究氧泵的设计过程中，对氧泵的冷却水系统、气路系统、控制系统、电测试系统进行分析和完善，对Al2O3管、ZrO2管、氧传感器、管式炉、石英管等部件进行结构设计，最终研制出符合实验要求的氧泵。
　　在研究材料性能过程中，利用固相合成法、溶胶凝胶法、水热法制备了YSZ、SDC、STF三种体系的块体陶瓷材料，通过TG/DSC、XRD、FSEM、四点探针实验等表征方法，分析和研究了三种体系材料的纳米粉体和块体陶瓷的热力学行为、晶体结构、微观形貌、电导率等性能。结果表明，YSZ、SDC、STF具有稳定的晶体结构，平均晶粒尺寸均很小，致密度较大。
　　在不同的温度下，氧泵可以连续调节出不同的氧分压，得到0.01wt％Fe掺杂的SrTiO3单晶在不同氧分压下的电导率。结果表明，在800℃和900℃下，高氧分压时SrTiO3表现出p型电导，中等氧分压和低氧分压时SrTiO3表现出n型电导。SrTiO3电导率与氧分压的关系与SrTiO3缺陷化学模型一致，由此可知氧泵研制成功。
　　氧泵的工作温度范围是650~1100℃，氧分压范围是10-25~1bar，成功研制氧泵对于材料的缺陷化学、电性能等基础研究和器件的实际应用具有重大的意义。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题意义

1.3 固体电解质

1.4 稳定氧化锆

1.5 基于ZrO2氧泵工作原理

1.6 氧泵的应用

1.7 课题的研究目的及内容

2 氧泵的设计

2.1 氧泵的核心设备

2.2 氧泵的技术指标

2.3 氧泵的结构设计

2.4 氧泵的关键问题

2.5 氧泵的操作与使用

2.6 氧泵的注意事项

2.7 本章小结

3 氧泵的验证

3.1 氧泵的验证原理

3.2 ZrO2缺陷化学

3.3 CeO2缺陷化学

3.4 SrTiO3缺陷化学

3.5 本章小结

4 氧化锆验证氧泵的研究

4.1 实验方法

4.2 材料制备

4.3 材料性能表征与测试

4.4 本章小结

5 氧化铈验证氧泵的研究

5.1 实验方法

5.2 材料制备

5.3 材料性能表征与测试

5.4 本章小结

6 钛酸锶验证氧泵的研究

6.1 实验方法

6.2 材料制备

6.3 材料性能表征与测试

6.4 本章小结

7 本文总结

7.1 主要结论

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文