CN104829226B - 一种片式氧传感器用敏感功能材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及热敏材料领域，特别公开了一种片式氧传感器用敏感功能材料及其制备方法。该片式氧传感器用敏感功能材料，以Y‑Sr‑Zr系氧化物作为主配方，其特征在于：在主配方中掺入Nb2O5、MgO和Al2O3制成，其中，主配方为重量比为2~10:30~40:60~70的Y2O3、SrO、ZrO2。本发明的材料具有致密性好、稳定性高、导电性能优良等特点，是片式氧传感器所需的重要材料。

Description

一种片式氧传感器用敏感功能材料及其制备方法
（一）技术领域
本发明涉及敏感功能陶瓷材料领域，特别涉及一种片式氧传感器用敏感功能材料及其制备方法。
（二）背景技术
汽车氧传感器是电喷发动机控制系统中关键的传感部件，为保证尾气排放达标，汽车氧传感器是利用陶瓷敏感元件对排气管道内的氧电势进行测量，再经由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比的目的。汽车氧传感器是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、测量准确、维护容易、使用便捷等优点。
氧传感器以固体电解质的材料划分主要分为：氧化锆氧传感器和氧化钛氧传感器，而氧化锆氧传感器是应用最广泛的氧传感器。氧传感器按工作原理分类可分为：浓差型(Nernst 型)氧化锆氧传感器、 极限电流型氧化锆氧传感器和宽范围空燃比传感器。目前以浓差电池型氧传感器为主。浓差电池型氧传感器的工作原理是：浓差电池型氧传感器是基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势，与自加热套管式传感器类似，都是利用高温氧离子导电而无电子导电的固体电解质的特性。图1显示了它的剖面图。浓差电势大小利用能斯特公式可得
式（1.1）中T 为传感元件的绝对温度。R为理想气体常数，R=8.314J/(mol*K)；F为法拉第常数，F=96500C*mol；p(O2)为参比大气侧的氧气分压；p’(O2)为排气侧的氧气分压。由此可见，在温度一定时，若参比气体为空气（即氧分压为已知时），此时测出E值就可知道尾气的氧含量或氧分压值。当A/F>14.7时，即空气过量,排气中氧含量高，电解质两侧的氧浓度差小，输出电势低（约0.1V）；当过量空气系数A/F<14.7时，即空气不足，排气中处于还原性气氛，氧浓度很低，电解质两侧的氧浓度差大，两极间产生0.9V 左右的输出电势；当A/F=14.7附近时，输出电势在以上两电势间产生突变，如图2 所示。
（三）发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种片式氧传感器用敏感功能材料及其制备方法，本发明提供的氧传感器用敏感功能材料氧离子传导性较好。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种片式氧传感器用敏感功能材料，以Y-Sr-Zr系氧化物作为主配方，其特征在于：在主配方中掺入添加剂Nb2O5、MgO和Al2O3制成，其中，主配方的重量比为2~10:30~40:60~70的Y2O3、SrO、ZrO2，添加剂总量为主配方重量的0.5~10%。
本发明的片式氧传感器用敏感功能材料的制备方法，主要步骤为：在主配方Y-Sr-Zr系氧化物中掺入Nb2O5、MgO和Al2O3后将其进行20~24小时的球磨，经100~150℃烘干7-10小时后加入粘合剂造成200~300目的颗粒，并制成各种厚度的成形圆片，在1400~1550℃高温下烧结2~3小时，最后印刷得到成品。
添加剂重量比为 Nb2O5：MgO：Al2O3 =35-45：25-40：20-35。
本发明将Nb2O5、MgO和Al2O3掺入主配方中，改变氧化锆烧结体的致密性、导电性能和显微结构，从而提高了材料稳定性。
本发明的更优方案为：
所述球磨时，球磨物料、水和球的重量配比为1:1.1~1.3:1.4~1.8。
所述粘合剂为质量浓度为15~25%的聚乙烯醇溶液，其用量为主配方重量的20~30%。
所述成形圆片的直径为5cm，成形密度为2.4~3.6g/cm3。
所述烧结过程为由室温~200℃时，升温速率为0.28℃/min；继续升温至600℃，升温速率为0.48℃/min；继续升温至800℃，升温速率为0.56℃/min；然后升温至1300℃，升温速率为2.08℃/min；之后1300℃，恒温1-2小时，再次升温至烧结温度，升温速率为3.33℃/min，在烧结温度上恒温2~3小时，最后随炉降温。
本发明工艺中的配方、烧结为关键工艺；配方决定了材料特性，烧结则是实现这一特性的保证。
Y2O3量的减少，添加剂总量的增加,烧结温度的增加,此三个条件中的任何一个得到满足，都会引起片式氧传感器用敏感功能材料的电导率下降，工作温度上升。
一种片式氧传感器，采用本发明的片式氧传感器用敏感功能材料制成。
本发明的材料具有致密性好、稳定性高、导电性能优良等特点，是片式氧传感器所需的重要材料。
（四）附图说明
图1浓差电池型氧传感器，图2浓差电池型氧传感器的输出特性图。
（五）具体实施方式
实施例1：
（1）配方：以Y2O3、SrO、ZrO2为主配方原料，纯度为工业级，取重量比Y2O3：SrO：ZrO2=10：30：60（%wt）+4%（添加剂）为第一组，取重量比Y2O3：SrO：ZrO2=7：30：63（% wt）+4%（添加剂）为第二组，取重量比Y2O3：SrO：ZrO2=4：30：66（% wt）+4% （添加剂）为第三组，取重量比Y2O3：SrO：ZrO2=2：30：68（% wt）+4% （添加剂）为第四组；添加剂: Nb2O5：MgO：Al2O3 =40:35:25%wt,24小时球磨；
（2）将上述比例配方料球磨24小时，料：水：球=1.0:1.2:1.5；经100~150℃烘干8小时；
（3）造粒:在粉料中加入浓度为20%的PVA胶溶液25%wt，手工造粒,过200-300目筛；
（4）成形：用20Mpa压力，成形Ф5.4（mm）×1.2（mm）的坯片，压制密度为3.2g/cm3；
（5）将成形的坯片装入陶瓷钵中在1500℃高温下烧结 2.5小时。烧结曲线为：
室温~200℃ 升温速率为0.28℃/min，
200℃~600℃ 升温速率为0.48℃/min，
600℃~800℃ 升温速率为0.56℃/min，
800℃~1300℃ 升温速率为2.08℃/min，
1300℃~1300℃ 恒温1.5小时，
1300℃~1500℃ 升温速率为3.33℃/min，
1500℃~1500℃ 恒温3小时，
然后随炉降温，200℃以下，出炉；
（6）利用丝网印刷电极。
（7）本发明的一种片式氧传感器用敏感功能材料电导率和组装成氧传感器后工作温度其结果如下表(以100支芯片统计)：
。
结果表明，随着Y2O3量的减少，电导率下降，工作温度亦有上升，传感器用敏感功能材料电导率和组装成氧传感器后工作温度与Y-Sr-Zr系材料相关。
实施例2：
主配方重量比取Y2O3：SrO：ZrO2=6：32：62%wt，添加剂的重量分别取为占主配方重量的1.0、3.0、5.0、7.0、10.0%wt，添加剂重量比为 Nb2O5：MgO：Al2O3 =35-45：25-40：20-35。按实施例1的工艺制作成样品，其测试结果如下表（以100支芯片统计）：
。
结果表明，随着添加剂量的增加,电导率下降，工作温度亦明显上升。
实施例3：
主配方重量取Y2O3：SrO：ZrO2=5：33：62%wt，添加剂的重量为占主配方重量的6%wt，添加剂重量比为 Nb2O5：MgO：Al2O3 =35-45：25-40：20-35。［按实施例1］的工艺做成坯片，取不同的烧结温度烧结，样品的测量结果如下表(以100支芯片统计)：
。
结果表明，随着烧结温度的增加,电导率下降，工作温度亦明显上升。
本发明的材料配方和制备技术可以批量生产，材料的性能满足温度传感器所需的各种参数，这种材料具有致密性好、稳定性高、导电性能优良等特点，是片式氧传感器所需的重要材料。

Claims (7)

1.一种片式氧传感器用敏感功能材料，以Y-Sr-Zr系氧化物作为主配方，其特征在于：在主配方中掺入添加剂Nb2O5、MgO和Al2O3制成，其中，主配方为重量比为2~10:30~40: 60~70的Y2O3、SrO、ZrO2，添加剂总量为主配方重量的0.5~10%；
该材料的制备方法为：在主配方Y-Sr-Zr系氧化物中掺入Nb2O5、MgO和Al2O3后将其进行20~24小时的球磨，经100~150℃烘干后加入粘合剂造成200~300目的颗粒，并制成各种厚度的成形圆片，在1400~1550℃高温下烧结2~3小时，最后印刷得到成品。
2.根据权利要求1所述的片式氧传感器用敏感功能材料，其特征在于：添加剂重量比为Nb2O5：MgO：Al2O3 =35~45：25~40：20~35。
3.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器用敏感功能材料，其特征在于：所述烧结过程为由室温~200℃时，升温速率为0.28℃/min；继续升温至600℃，升温速率为0.48℃/min；继续升温至800℃，升温速率为0.56℃/min；然后升温至1300℃，升温速率为2.08℃/min；之后1300℃，恒温1~2小时，再次升温至烧结温度，升温速率为3.33℃/min，在烧结温度上恒温2~3小时，最后随炉降温。
4.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器用敏感功能材料，其特征在于：所述球磨时，球磨物料、水和球的重量配比为1:1.1~1.3:1.4~1.8。
5.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器用敏感功能材料，其特征在于：所述粘合剂为质量浓度为15~25%的聚乙烯醇溶液，其用量为主配方重量的20~30%。
6.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器用敏感功能材料，其特征在于：所述成形圆片的直径为5cm，成形密度为2.4~3.6g/cm3。
7.一种片式氧传感器，其特征在于，采用权利要求1所述的片式氧传感器用敏感功能材料制成。
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