CN113281392A - 一种管式氧传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管式氧传感器，包括电解质层，所述电解质层的内外两侧分别涂有内铂电极层和外铂电极层，且所述外铂电极层外侧依次设置有第一保护层和第二保护层；所述第二保护层的孔径和孔隙率大于所述第一保护层的孔径和孔隙率。本发明通过建立两层不同孔径和材料的保护层，形成两层过滤的方式，在不影响导电能力的情况下有效提高了产品的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车氧传感器技术领域，更具体的说是涉及一种管式氧传感器及其制备方法。
背景技术
在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。
氧传感器的核心元件是ZrO2陶瓷管，锆管的内外两侧涂有铂电极，管内腔为参比通道，管外壁与氧气接触，管内设有加热器，通过加热器加热使传感器达到工作温度。由于车上作业条件很苛刻，电极材料应具有良好的导电率、较高的触媒活性和良好的化学稳定性。
现在氧化锆氧传感器的电极材料都为铂，起催化作用兼电极的作用，它使尾气中的O2与CO反应，变成CO2，使固体电解质两侧的氧浓差增加，从而使两极间的电压在理论空燃比附近产生突变。目前为了降低电极反应电阻，提高传感器的性能，ZrO2氧传感器的铂电极应呈多孔薄膜结构，但是由于锆管的异型结构，通过传统的涂刷方式很难实现自动化。
因此，如何提供一种耐久性优异的管式氧传感器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种管式氧传感器，可以在不影响产品导电能力的情况下提高产品的耐久性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种管式氧传感器，包括电解质层，所述电解质层的内外两侧分别涂有内铂电极层和外铂电极层，且所述外铂电极层外侧依次设置有第一保护层和第二保护层；所述第二保护层的孔径和孔隙率大于所述第一保护层的孔径和孔隙率。
优选的，在上述一种管式氧传感器中，所述第一保护层为纳米活性γ-Al2O3材料。
优选的，在上述一种管式氧传感器中，所述第一保护层材料的孔隙率为20-50％，粒径为20-800nm。
优选的，在上述一种管式氧传感器中，所述第二保护层为铝镁尖晶石或α-Al2O3中的任意一种。
优选的，在上述一种管式氧传感器中，所述第二保护层材料的孔隙率为30-80％，粒径为0.5-2.5μm。
其中第一保护层为纳米活性γ-Al2O3材料，比表面积大且吸附能力强，与电解质和电极结合强度高，同时作为分子筛；第二保护层为铝镁尖晶石或α-Al2O3的一种，孔径和孔隙率比第一保护层大，主要作用为过滤尾气中的大颗粒，避免堵塞氧气的运行通道。
本发明还公开了上述管式氧传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将电解质粉末进行等静压和车削成型后烧结，对烧结后的产品进行表面处理，其中烧结温度为1300-1500℃；
(2)将经过步骤(1)表面处理过的电解质的内外两侧分别采用点胶的方式印刷内铂电极和外铂电极，烘干；
(3)将γ-Al2O3在酒精中分散均匀形成分散体系后通入雾化器中，对经过步骤(2)处理的产品进行喷雾，烧结，形成第一保护层，烧结前雾化层厚度在20-80μm之间；
(4)在所述第一保护层表面等离子喷涂铝镁尖晶石或α-Al2O3，形成第二保护层，即可，其中喷涂温度在1500-2000℃之间，厚度在100-150μm之间。
优选的，在上述一种管式氧传感器的制备方法中，步骤(1)中所述烧结温度为1300-1500℃，所述表面处理工艺包括二次车削、喷砂处理中的一种或两种。
优选的，在上述一种管式氧传感器的制备方法中，步骤(3)所述分散体系中固含量在30-80％之间，γ-Al2O3材料的粒径为20-800nm，喷雾处理后所述γ-Al2O3的厚度在10-50μm之间。
优选的，在上述一种管式氧传感器的制备方法中，步骤(3)中所述烧结温度为1050-1200℃。
优选的，在上述一种管式氧传感器的制备方法中，步骤(4)所述等离子喷涂过程中喷涂粉的胶含量为2％-5％，铝镁尖晶石或α-Al2O3材料的原始粒径为0.5-2.5μm，造粒后粒径为50-150μm，喷涂后孔隙率30-80％，厚度在100-150μm之间。
其中限制第一保护层、第二保护层材料原始粒径保证烧结后粒径和孔隙率可控，限制厚度保证材料的空气通道畅通，喷涂粉的胶含量过高会导致喷涂过程中溶解不完全，过低会导致喷涂后保护层附着力不足而脱落，影响产品的耐久性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种管式氧传感器，本发明将原有的单层孔径一致的保护层优化为两层不同孔径的不同材料，通过不同的工艺处理将两层材料与氧传感器芯体产品结合，其中第一保护层为纳米活性γ-Al2O3材料，比表面积大且吸附能力强，与电解质和电极结合强度高，同时作为分子筛；第二保护层为铝镁尖晶石或α-Al2O3中的一种，孔径和孔隙率比第一保护层大，主要作用为过滤尾气中的大颗粒，避免堵塞氧气的运行通道，在不影响导电能力的情况下提高产品的耐久性。
本发明利用YSZ(氧化钇掺杂的氧化锆)固体电解质高温氧离子导电而无电子导电的特性，基于YSZ固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势，不同浓度差对应不同电势，装车后传感器与ECU(汽车电控单元)连接，ECU在接收到电势信号后做出相应的指令，反馈系统循环反复动作，把空气和燃气的比例控制在理论值附近，保证燃气利用效率和尽量少的有害气体排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明管式氧传感器的结构示意图。
在图中：
1为电解质层、2为内铂电极层、3为外铂电极层、4为第一保护层、5为第二保护层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种管式氧传感器，包括电解质层1，所述电解质层的内外两侧分别涂有内铂电极层1和外铂电极层3，且所述外铂电极层3外侧依次设置有第一保护层4和第二保护层5；所述第二保护层5的孔径和孔隙率大于所述第一保护层4的孔径和孔隙率。
为了进一步优化上述技术方案，所述第一保护层4为纳米活性γ-Al2O3材料。
为了进一步优化上述技术方案，所述第一保护层4材料的孔隙率为20-50％，粒径为20-800nm。
为了进一步优化上述技术方案，所述第二保护层5为铝镁尖晶石或α-Al2O3中的任意一种。
为了进一步优化上述技术方案，所述第二保护层5材料的孔隙率为30-80％，粒径为0.5-2.5μm。
本发明还公开了上述管式氧传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将电解质粉末进行等静压和车削成型后烧结，对烧结后的产品进行表面处理；
(2)将经过步骤(1)表面处理过的电解质的内外两侧分别印刷内铂电极和外铂电极，烘干；
(3)将γ-Al2O3在酒精中分散均匀形成分散体系后通入雾化器中，对经过步骤(2)处理的产品进行喷雾，烧结，形成第一保护层；
(4)在所述第一保护层表面等离子喷涂铝镁尖晶石或α-Al2O3，形成第二保护层，即可。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(1)中表面处理工艺包括二次车削、喷砂处理中的一种或两种。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(3)所述分散体系中固含量在30-80％之间，γ-Al2O3材料的粒径为20-800nm，喷雾处理后所述γ-Al2O3的厚度在10-50μm之间。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(3)中所述烧结温度为1050-1200℃。
为了进一步优化上述技术方案，步骤(4)所述等离子喷涂过程中喷涂粉的胶含量为2％-5％，铝镁尖晶石或α-Al2O3材料的原始粒径为0.5-2.5μm，造粒后粒径为50-150μm，喷涂后孔隙率30-80％，厚度在100-150μm之间。
本发明通过建立两层不同孔径和材料的保护层，形成两层过滤的方式，其中，γ-Al2O3作为分子筛，可以将尾气中的N2、O2分离，铝镁尖晶石或α-Al2O3过滤尾气中的大分子颗粒，避免堵塞氧气的运行通道。在不影响导电能力的情况下提高产品的耐久性，经过试验，改善后产品的耐久性更高。
实施例1
生产产品尺寸如下：氧化锆电解质厚度0.4mm，内外铂电极厚度10μm，第一保护层γ-Al2O3厚度25μm，平均粒径100nm，孔隙率40％，第二保护层铝镁尖晶石(铝镁尖晶石为由氧化铝、氧化镁及其他助烧剂高温烧结或电熔成复合材料后，通过粉碎颗粒制成)中氧化铝含量90％，厚度125μm，平均粒径2μm，孔隙率60％。组装成品后测试响应时间＜30ms，高温耐久试验＞20000h。
实施例2
生产产品尺寸如下：氧化锆电解质厚度0.4mm，内外铂电极厚度10μm，第一保护层γ-Al2O3厚度25μm，平均粒径100nm，孔隙率40％，第二保护层α-Al2O3厚度125μm，平均粒径2μm，孔隙率60％，组装成品后测试响应时间＜30ms，高温耐久试验＞20000h。
对比例1
生产产品尺寸如下：氧化锆电解质厚度0.4mm，内外铂电极厚度10μm，保护层铝镁尖晶石(铝镁尖晶石为由氧化铝、氧化镁及其他助烧剂高温烧结或电熔成复合材料后粉碎颗粒制成)中氧化铝含量90％，厚度150μm，平均粒径2μm，孔隙率60％，组装成品后测试响应时间＜25ms，高温耐久试验20h。
对比例2
生产产品尺寸如下：氧化锆电解质厚度0.4mm，内外铂电极厚度10μm，保护层α-Al2O3厚度150μm，平均粒径2μm，孔隙率60％，组装成品后测试响应时间25ms，高温耐久试验25h。
对比例3
生产产品尺寸如下：氧化锆电解质厚度0.4mm，内外铂电极厚度10μm，保护层γ-Al2O3厚度150μm，平均粒径100nm，孔隙率40％，组装成品后测试响应时间＜25ms，高温耐久试验1000h。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种管式氧传感器，包括电解质层，其特征在于，所述电解质层的内外两侧分别涂有内铂电极层和外铂电极层，且所述外铂电极层外侧依次设置有第一保护层和第二保护层；所述第二保护层的孔径和孔隙率大于所述第一保护层的孔径和孔隙率。
2.根据权利要求1所述的一种管式氧传感器，其特征在于，所述第一保护层为纳米活性γ-Al2O3材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种管式氧传感器，其特征在于，所述第一保护层材料的孔隙率为20-50％，粒径为20-800nm。
4.根据权利要求1所述的一种管式氧传感器，其特征在于，所述第二保护层为铝镁尖晶石或α-Al2O3中的任意一种。
5.根据权利要求1或4所述的一种管式氧传感器，其特征在于，所述第二保护层材料的孔隙率为30-80％，粒径为0.5-2.5μm。
6.一种权利要求1-5任一项所述的管式氧传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将电解质粉末进行等静压和车削成型后烧结，对烧结后的产品进行表面处理；
(2)将经过步骤(1)表面处理过的电解质的内外两侧分别采用点胶的方式印刷内铂电极和外铂电极，烘干；
(3)将γ-Al2O3在酒精中分散均匀形成分散体系后通入雾化器中，对经过步骤(2)处理的产品进行喷雾，烧结，形成第一保护层；
(4)在所述第一保护层表面等离子喷涂铝镁尖晶石或α-Al2O3，形成第二保护层，即可。
7.根据权利要求6所述的一种管式氧传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述表面处理包括二次车削、喷砂处理中的一种或两种。
8.根据权利要求6所述的一种管式氧传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述分散体系中固含量在30-80％之间，γ-Al2O3材料的粒径为20-800nm，喷雾处理后所述γ-Al2O3的厚度在10-50μm之间。
9.根据权利要求6所述的一种管式氧传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结温度为1050-1200℃。
10.根据权利要求6所述的一种管式氧传感器的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述等离子喷涂过程中喷涂粉的胶含量为2％-5％，铝镁尖晶石或α-Al2O3材料的原始粒径为0.5-2.5μm，造粒后粒径为50-150μm，喷涂后孔隙率30-80％，厚度在100-150μm之间。
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| CN202110559491.3A Pending CN113281392A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种管式氧传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113281392A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5271821A (en) * | 1988-03-03 | 1993-12-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Oxygen sensor and method of producing the same |
| US5443711A (en) * | 1988-12-02 | 1995-08-22 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Oxygen-sensor element |
| US5593558A (en) * | 1994-06-09 | 1997-01-14 | Nippondenso Co., Ltd. | Oxygen concentration detector |
| US20020060152A1 (en) * | 2000-10-05 | 2002-05-23 | Yasumichi Hotta | Oxygen sensor element and manufacturing method thereof |
| CN103529105A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-01-22 | 惠州市富济电子材料有限公司 | 一种管式氧传感器测试电极及保护层 |
-
2021
- 2021-05-21 CN CN202110559491.3A patent/CN113281392A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5271821A (en) * | 1988-03-03 | 1993-12-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Oxygen sensor and method of producing the same |
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