CN102910903B - 氧化锆基传感器的低温共烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种片式氧化锆传感器的低温共烧方法，所述方法包括：在氧化钇稳定氧化锆中加入低熔点、具有离子导电性的玻璃粉，配制浆料；将浆料流延成型，切割，冲过孔、参比气体通道、气体室等；印刷Pt等贵金属电极，叠层热压，并在1000℃～1200℃下共烧0.5～4小时。

Description

氧化锆基传感器的低温共烧方法

技术领域

本发明涉及一种片式氧化锆基传感器的低温共烧方法。

背景技术

最早的氧传感器是于1961年由美国西屋电气公司两位科学家Weissbart和Ruka制成的氧化锆管式氧传感器。但当时的氧传感器主要用于工业炼钢中的氧气测量。真正的汽车用管式氧传感器是由博世（Bosch）公司于1976年研制的，主要用于汽车尾汽控制，能有效提高燃油效率，减少尾气污染。该产品一经面世后，就受到了广泛的关注，并很快上市销售，并于当年向美国市场销售1000万只氧传感器。1982年博世公司又开始生产加热型管式氧传感器，该种传感器可加热到400℃，很大程度提高了氧传感器的反应速度，这种氧传感器可在冷车启动30秒内进入完全工作状态。

为了进一步满足对尾气排放控制要求日益严格的需要，必需解决管式氧传感器目前存在的问题：启动时间和宽域测试氧浓度。一方面是在预热阶段就启动闭路模式，这就要求传感器具有快速启动能力(<15秒甚至<10秒〉,而传统的管式氧传感器远远不能满足这一要求。另一方面是采用线性控制以适应远离1时的排放控制，也就是宽域氧传感器。要想实现上述解决策略就必须先解决传感器的结构问题，新型传感器要具有较宽的线性范围、快速启动和高精度。基于ZrO2固体电解质材料的片式传感器不仅能够满足快速启动、对稀薄燃烧在宽范围的高性能要求，在小型化以及作为下一代尾气传感器（NOx、HC等）的平台均显示了极大的可能性。这种传感器的主要特征在于预热时间短、尺寸小、重量轻，最重要的是价格便宜。

整个氧化锆基片式传感器包括加热层、空气导入层以及传感器层。贵金属铂具有良好的电导率、结构稳定性和化学稳定性，具有较好的吸附、脱附性能，是良好的催化剂，工作温度400－1000℃与固体电解质相兼容，因此是电极和加热体材料的首选。加热层是由一层铂金线组成，测试电极是多孔铂金电极及覆盖的NOx敏感电极组成。这些都是采用丝网印刷技术印刷在传感器（YSZ）的两面。印刷好的基片通过堆垛、层叠、共烧制备成NOx传感器部件。

但是，在氧化锆共烧制备片式传感器的时候，氧化锆的烧结温度（1350℃～1550℃）和目前商业Pt电极浆料的烧结温度（800℃～1000℃）之间存在较大的距离。如果氧化锆烧结致密，则Pt电极也会烧结致密，从而达不到Pt多孔性的要求；如果保持Pt电极的多孔性，则氧化锆就很难烧结致密。达不到需要的致密度和气密性的要求。

目前片式传感器采用的解决方案是：采取措施提高Pt金属的烧结温度，使Pt电极在高温烧结的时候还能保持多孔的特性。

显然，现有技术中需要一种氧化锆基传感器的低温共烧方法，以解决氧化锆的烧结温度和目前商业Pt电极浆料的烧结温度存在差异的问题。

发明内容

为此，本发明提供一种制备片式氧化锆基传感器的低温共烧方法，所述方法包括：

在氧化锆中加入低熔点、具有离子导电性的玻璃粉，配制浆料；

将所述浆料流延成型，经切割和冲出孔、参比气体通道和气体室，由此提供传感器基片；

在基片上印刷电极，叠层热压，并在1000℃～1200℃下共烧0.5～4小时。

在本发明一个实施方式中，所述氧化锆是氧化钇、氧化镁或氧化钙稳定的氧化锆。其中，所述氧化钇的含量为4～8mol%，所述氧化镁的含量为6～12mol%，和所述氧化钙的含量为6～12mol%。

在本发明一个实施方式中，所述低熔点、具有离子导电性的玻璃粉包括Li2O-Al2O3-SiO2玻璃、Li2O-CaO-Al2O3-SiO2玻璃。

在本发明一个实施方式中，所述浆料还加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、和/或增塑剂。

在本发明一个实施方式中，所述Li2O-Al2O3-SiO2玻璃的加入量为10～50重量％；所述Li2O-CaO-Al2O3-SiO2玻璃的加入量为10～50重量％。优选地，所述Li2O-Al2O3-SiO2玻璃的加入量为30～40重量％；所述Li2O-CaO-Al2O3-SiO2玻璃的加入量为30～40重量％。

在本发明一个实施方式中，所述共烧是在900℃～1300℃烧结温度下进行0.5～4小时。优选地，所述共烧是在1000℃～1200℃烧结温度下进行0.5～2小时。

具体的说，为解决现有技术中存在的技术问题，本发明采用如下技术方案：

在氧化钇稳定氧化锆中加入低熔点、具有离子导电性的玻璃粉，配制浆料；

浆料流延成型；

切割；

冲出传感器所需的孔、参比气体通道、气体室等，提供传感器基片；

在传感器基片印刷Pt等贵金属电极；

进行叠层热压；以及

在1000℃～1200℃下共烧0.5～4小时。

在本发明中，氧化锆采用氧化钇（4～8mol%）或氧化镁（6～12mol%）氧化钙（6～12mol%）稳定氧化锆陶瓷材料。

在本发明中，添加的低熔点、具有离子导电性的玻璃粉包括Li2O-Al2O3-SiO2玻璃、CaO-Al2O3-SiO2玻璃或它们的组合。其中，Li2O-Al2O3-SiO2玻璃成分为：Li2O 10～40重量％、Al2O3 10～30重量％、SiO230～80重量％；CaO-Al2O3-SiO2玻璃成分为：CaO 20～40重量％、Al2O320～40重量％、SiO2 20～60重量％。

在优选的实施方式中，在混合好的低熔点玻璃料-氧化锆粉体中加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂制备成浆料，经切割，冲出孔、参比气体通道、气体室等，印刷Pt等贵金属电极，叠层热压。

在本发明中，低温共烧的烧结温度在900℃～1300℃，共烧时间为0.5～4小时。优选的烧结温度范围为1000℃～1200℃；共烧时间为0.5～2小时。

附图说明

图1为本发明氧化锆基传感器低温共烧方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明的方法和方案做进一步说明。需要注意的是，本发明的内容并不限于这些具体的实施方式。在不背离本发明背景和精神的前提下，本领域技术人员在阅读本发明的内容的基础上可以进行等价替换和修改，其内容也包括在本发明要求保护的范围内。

实施例1

提供氧化钇稳定的氧化锆，其中，氧化钇的含量为6mol%。向所述氧化钇稳定的氧化锆中添加30重量％的Li2O-Al2O3-SiO2玻璃，提供玻璃料-氧化锆浆料。其中，Li2O-Al2O3-SiO2玻璃成分为：Li2O：20重量％、Al2O3：30重量％、SiO2：50重量％。

向混合好的玻璃料-氧化锆浆料中加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂制备成浆料，流延成型，经切割，冲出孔、参比气体通道、气体室等，提供传感器基片，在所述基片上印刷Pt等贵金属电极，叠层热压，在1000℃下烧结温度下共烧0.5小时。经过后处理，制备得到氧化锆基传感器。

烧结后陶瓷材料的密度为4.629；

气孔率为0.5%；

抗折强度为545MPa；

电阻（直径15mm，厚度2mm，700℃）为90Ω。

满足片式氧化锆陶瓷材料的需要。

Claims (7)

1.一种制备片式氧化锆基传感器的低温共烧方法，所述方法包括：

在氧化锆中加入低熔点、具有离子导电性的玻璃粉，配制浆料；

将所述浆料流延成型，经切割和冲出孔、参比气体通道和气体室，由此提供传感器基片；

在基片上印刷电极，叠层热压，并在900℃～1200℃下共烧0.5～4小时。

2.根据权利要求1所述的低温共烧方法，其特征在于：所述氧化锆是氧化钇、氧化镁或氧化钙稳定的氧化锆。

3.根据权利要求2所述的低温共烧方法，其特征在于：所述氧化钇的含量为4～8mol％，所述氧化镁的含量为6～12mol％，和所述氧化钙的含量为6～12mol％。

4.根据权利要求1所述的低温共烧方法，其特征在于：所述低熔点、具有离子导电性的玻璃粉包括Li₂O-Al₂O₃-SiO₂玻璃、Li₂O-CaO-Al₂O₃-SiO₂玻璃。

5.根据权利要求1所述的低温共烧方法，其特征在于：所述浆料还加入有机溶剂、分散剂、粘结剂、和/或增塑剂。

6.根据权利要求4所述的低温共烧方法，其特征在于：所述Li₂O-Al₂O₃-SiO₂玻璃的加入量为30～40重量％；所述Li₂O-CaO-Al₂O₃-SiO₂玻璃的加入量为30～40重量％。

7.根据权利要求1所述的低温共烧方法，其特征在于：所述共烧是在1000℃～1200℃烧结温度下进行0.5～2小时。