DE112006001721T5

DE112006001721T5 - Gassensorelement und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112006001721T5
Application number: DE112006001721T
Authority: DE
Inventors: Itsuhei Ogata; Daisuke Makino; Satoshi Nakamura; Hiroo Imamura; Akio Tanaka
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2007004500A1; US20090084673A1; JP4855842B2; JP2007298490A

Abstract

Gassensorelement, welches umfasst:
einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht,
einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird,
wobei das Gassensorelement mindestens eine der folgenden Bedingungen (a) und (b) erfüllt,
(a) mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers ist aus ionenleitfähigem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der ionenleitfähigen Keramik besteht,
(b) mindestens ein Teil des Isolators ist aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik besteht.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gassensorelement, das zur Verbrennungssteuerung eines Verbrennungsmotors wie eines Fahrzeugmotors verwendet werden kann, und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
VERWANDTER STAND DER TECHNIK
In einem Abgassystem eines Fahrzeugverbrennungsmotors etc. wird ein Gassensorelement wie ein O₂-Sensorelement, ein NO_x-Sensorelement und ein A/F-Sensorelement verwendet, um die O₂-Konzentration, die NO_x-Konzentration, das Luft-Brennstoff-Verhältnis etc. zu bestimmen, die in einem Abgas oder dergleichen enthalten sind. Als ein solches Gassensorelement wird ein kelchförmiges oder ein laminiertes Element verwendet, welches einen Festelektrolytkörper mit Ionenleitfähigkeit, einen Isolator mit elektrischer Isolationseigenschaft und Elektroden einschließt.
Gewöhnlicher Weise erfährt ein Gassensorelement, das in einem Abgas lokalisiert ist, verschiedene Spannungen. Wenn zum Beispiel das Gassensorelement schnell aktiviert wird, steigt die Temperatur des Gassensorelementes schnell an, und als ein Ergebnis tritt Spannung in dem Gassensorelement auf. Auch wenn das Gassensorelement durch Wasserdampf geflutet wird, der in dem Abgas oder atmosphärischer Luft enthalten ist, tritt Spannung in dem Gassensorelement auf. Und auch wenn die Temperatur oder Flussgeschwindigkeit des Abgases schnell ansteigt, tritt Spannung in dem Gassensorelement auf.
Wenn die wie vorstehend in dem Gassensorelement auftretende Spannung einen erlaubten Wert überschreitet, kann ein Zerbrechen in dem Festelektrolytkörper oder in dem Isolator des Gassensorelementes auftreten, was hervorruft, dass das Gassensorelement unfähig ist, die O₂-Konzentration, die NO_x-Konzentration, das Luft-Brennstoff-Verhältnis etc. genau zu erfassen, und folglich wird seine Zuverlässigkeit vermindert.
Bislang wurde vorgenommen, das Gassensorelement durch einen Schutzüberzug zu bedecken, um die Spannung an dem Gassensorelement zu vermindern. Es war jedoch schwierig, die an dem Gassensorelement anliegende Spannung selbst durch die Verwendung des Schutzüberzuges ausreichend zu verringern. Insbesondere wird die Spannung aufgrund von Fluten mit in einem Gas wie einem Abgas, einem Referenzgas und atmosphärischer Luft enthaltener Feuchtigkeit hervorgerufen, mit welcher es für das Gassensorelement schwierig ist, am direkten Kontaktieren gehindert zu werden. Demzufolge war es schwierig, die Spannung selbst unter Verwendung des Schutzüberzuges zu verringern.
Im Übrigen wurde ein gesinterter Verbundkeramikkörper auf Zirkoniumoxidbasis entwickelt, in welchem Al₂O₃- Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von nicht größer als 2 μm in teilstabilisiertem Zirkoniumoxid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht größer als 5 μm dispergiert sind (siehe Patentdokument 1). Eine solche Verbundkeramik auf Zirkoniumoxidbasis kann hohe Festigkeit zeigen. Es kann angenommen werden, dass, wenn ein solcher gesinterter Verbundkeramikkörper auf Zirkoniumoxidbasis für das Gassensorelement angewendet wird, ein Gassensorelement erhalten werden kann, das hohe Beständigkeit gegenüber Spannung zeigt.

Patentdokument 1: Patent Nr. 2703207

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME.
Die Anforderung an das Gassensorelement ist jedoch nicht nur auf die Festigkeit begrenzt, sondern es wird von dem Festelektrolytkörper gefordert, Eigenschaft der Ionenleitfähigkeit zu haben und von dem Isolator wird gefordert, Eigenschaft der elektrischen Isolation zu haben. Wenn solche Eigenschaften nicht erfüllt werden, kann es auftreten, dass dieser nicht als ein Gassensorelement wirkt, selbst wenn er hohe Festigkeit hat.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts solcher herkömmlicher Probleme mit einem Ziel gemacht, ein zuverlässiges Gassensorelement zur Verfügung zu stellen, das exzellenten Widerstand gegenüber großer Spannung, wie eine beim Fluten auftretende Spannung, zeigt, und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Die erste Erfindung ist ein Gassensorelement (Anspruch 1), welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, umfasst, und das mindestens eine der folgenden Bedingungen (a) und (b) erfüllt.

(a) Mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers ist aus ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der ionenleitfähigen Keramik besteht.
(b) Mindestens ein Teil des Isolators ist aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik besteht.

Das Gassensorelement erfüllt die Bedingung (a) und/ oder die Bedingung (b).
In einem Fall, in dem die Bedingung (a) erfüllt wird, das heißt, in einem Fall, in dem mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt ist, kann der Festelektrolytkörper großer Spannung, welche zum Beispiel 350 MPa überschreitet, widerstehen und kann exzellente Festigkeit zeigen. Ferner ist in dem ionenleitfähigen Verbundmaterial eine spezifische Menge von 0,1 bis 20 Gew.-% der Nanoteilchen in der Hauptkomponente dispergiert, die aus der ionenleitfähigen Keramik besteht. Demzufolge kann, selbst in einem Fall, in dem die Nanoteilchen aus isolierendem Material angefertigt sind, der Festelektrolytkörper ausreichende Leitfähigkeit sicherstellen.
Ferner kann in einem Fall, in dem Bedingung (b) erfüllt ist, das heißt, in einem Fall, in dem mindestens ein Teil des Isolators aus dem isolierenden Verbundmaterial angefertigt ist, der Isolator großer Spannung, die 350 MPa übersteigt, widerstehen und kann exzellente Festigkeit zeigen.
Ferner ist in dem isolierenden Verbundmaterial eine spezifische Menge von 0,1 bis 20 Gew.-% der Nanoteilchen in der Hauptkomponente dispergiert, die aus der isolierenden Keramik besteht. Demzufolge kann, selbst in einem Fall, in dem die Nanoteilchen aus leitfähigem Material angefertigt sind, der Isolator ausreichende Isolationsfähigkeit sicherstellen.
In einem Fall, in dem das Gassensorelement beide Bedingungen (a) und (b) erfüllt, können der Festelektrolytkörper, der aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt ist, und der Isolator, der aus dem isolierenden Verbundmaterial angefertigt ist, wie vorstehend beschrieben exzellente Festigkeit zeigen und zusätzlich Leitfähigkeit des Festelektrolytkörpers und Isolationsfähigkeit des Isolators ausreichend sicherstellen.
Demzufolge kann das Gassensorelement exzellente Festigkeit zeigen, während es eine Funktion als ein Gassensorelement sicherstellt. Selbst wenn daher eine große Spannung an das Gassensorelement angelegt wird, ist es möglich, einen Bruch wie Zerbrechen am Auftreten in dem Gassensorelement zu hindern und genaue Erfassung durchzuführen.
Im Allgemeinen gibt es als Spannung, die an das Gassensorelement angelegt werden kann, eine Spannung, die aufgrund schnellen Temperaturanstiegs bei früher Aktivierung auftritt, eine Spannung, die auftritt, wenn die Temperatur oder Flussgeschwindigkeit eines Abgases sich schnell ändert, und eine Spannung, die im Fall des Flutens auftritt.
Die Spannung, die in dem Fall des Flutens auftritt, ist in einem am Fahrzeug befestigten Zustand gemäß einer Abschätzung dieser Spannungen durch Simulation am größten. Die Spannung, die aufgrund des Flutens auftritt, steigt in Übereinstimmung mit einem Flutvolumen an und die auftretende Spannung sättigt und erreicht einen Maximalwert (größte auftretende Spannung), wenn das Flutvolumen ein gewisses Ausmaß übersteigt (siehe 11). Demzufolge ist es durch die Verwendung eines Festelektrolytkörpers und/ oder eines Isolators mit einer Festigkeit jenseits dieser größten auftretenden Spannung möglich, ein Zerbrechen des Festelektrolytkörpers und/oder des Isolators zu verhindern.
In dem Gassensorelement der Erfindung werden, wie vorstehend beschrieben wurde, der die Bedingung (a) erfüllende Festelektrolytkörper und/oder der die Bedingung (b) erfüllende Isolator verwendet. Demzufolge können der Festelektrolytkörper und/oder der Isolator Festigkeit jenseits der großen Spannung im Fall des Flutens zeigen, um das Auftreten von Zerbrechen zu verhindern.
Die zweite Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelementes, das einen Festelektrolytkörper aus ionenleitfähigem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers;
einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Keramik-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Keramik-Formteils durch Formen des isolierenden Keramikschlickers; und
einen Backschritt zum Anfertigen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils und des isolierenden Keramik-Formteils (Anspruch 6).
Die dritte Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus ionenleitfähigem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers;
einen Backschritt zum Anfertigen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils;
einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektroden, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; und
einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Keramikschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Keramikschlickers auf den Festelektrolytkörper (Anspruch 7).
Die vierte Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus einem isolierenden Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1–20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Keramikschlicker-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Keramik-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Keramikschlickers;
einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Keramik-Formteils dazwischen gehalten wird;
einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik;
einen isolierenden Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Verbundmaterial-Formteils durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers; und
einen Backschritt zum Anfertigen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Keramik-Formteils und des isolierenden Verbundmaterial-Formteils (Anspruch 13).
Die fünfte Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus isolierendem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Keramik-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Keramik-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Keramikschlickers;
einen Backschritt zum Anfertigen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Keramik-Formteils;
einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektroden, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird;
einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; und
einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialkeramikschlickers auf den Festelektrolytkörper (Anspruch 14).
Die sechste Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus einem ionenleitfähigen Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen ersten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ersten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren erster Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des ersten Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der ersten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der ersten Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers;
einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird;
einen zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines zweiten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren zweiter Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des zweiten Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der zweiten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der zweiten Nanoteilchen und der isolierenden Keramik;
einen isolierenden Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Verbundmaterial-Formteils durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers; und
einen Backschritt zum Anfertigen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils und des isolierenden Verbundmaterial-Formteils (Anspruch 20).
Die siebte Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus einem ionenleitfähigen Verbundmaterial, in welchem erste Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus isolierendem Verbundmaterial, in welchem zweite Nanoteilchen mit einem Durchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst:
einen ersten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ersten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren erster Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des ersten Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der ersten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der ersten Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik;
einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers;
einen Backschritt zum Anfertigen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils;
einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektroden, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird;
einen zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines zweiten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren zweiter Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel;
einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des zweiten Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der zweiten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der zweiten Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; und
einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf den Festelektrolytkörper (Anspruch 21).
Der bemerkenswerteste Punkt der zweiten bis siebten Erfindung liegt darin, dass Nanoteilchen mit einem spezifischen Teilchendurchmesser, ionenleitfähige Keramik und/oder isolierende Keramik mit einem spezifischen Mischungsverhältnis gemischt werden.
Das heißt, in der zweiten und dritten Erfindung werden der Nanoteilchenschlicker, welcher Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm enthält, und der ionenleitfähige Keramikschlicker mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Teilchen gemischt (der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt).
Ferner werden in der vierten und fünften Erfindung der Nanoteilchenschlicker, der Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm enthält, und der isolierende Keramikschlicker mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik vermischt (der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt).
Ferner werden in der sechsten und siebten Erfindung der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt und der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt ausgeführt.
Als ein Ergebnis kann gemäß der Herstellungsverfahren der zweiten bis siebten Erfindung das Gassensorelement der ersten Erfindung hergestellt werden.
Um präziser zu sein kann gemäß der zweiten und dritten Erfindung, das Gassensorelement hergestellt werden, welches die Bedingung (a) der ersten Erfindung erfüllt.
Gemäß der vierten und fünften Erfindung kann das Gassensorelement hergestellt werden, welches die Bedingung (b) der ersten Erfindung erfüllt.
Ferner kann gemäß der sechsten und siebten Erfindung das Gassensorelement hergestellt werden, welches die Bedingung (a) und die Bedingung (b) der ersten Erfindung erfüllt.
Wie vorstehend kann gemäß der zweiten bis vierten Erfindung das Gassensorelement der ersten Erfindung, welches exzellente Beständigkeit gegen große Spannung wie eine beim Fluten auftretende Spannung, und welches in der Zuverlässigkeit exzellent ist, hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Entwicklungsansicht eines Gassensorelements der Ausführungsform 1.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Gassensorelements der Ausführungsform 1.
3 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils des Gassensorelements der Ausführungsform 1.
4 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Gesamtstruktur eines Hochdruck-Dispersionsgerätes der Ausführungsform 1 zeigt.
5 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Struktur eines Misch-Dispersions-Abschnitts des Hockdruck-Dispersionsgeräts der Ausführungsform 1 zeigt.
6 ist eine erläuternde Ansicht, welche einen Querschnitt eines Gassensorelements der Ausführungsform 2 zeigt.
7 ist eine erläuternde Ansicht eines Gassensors, welcher das Gassensorelement der Ausführungsform 2 einbezieht.
8 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Gesamtstruktur eines Hochgeschwindigkeits-Schermischers der Ausführungsform 2 zeigt.
9 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Struktur eines geschlossenen druckbeständigen Behälters des Hochgeschwindigkeits-Schermischers der Ausführungsform 2 zeigt.
10 ist eine erläuternde Ansicht, welche ein Verfahren einer Biegebruchfestigkeitsprüfung für Experimentbeispiele zeigt.
11 ist eine Diagrammansicht, welche eine Beziehung zwischen einem Flutvolumen des Gassensorelements in einem am Fahrzeug montierten Zustand und der auftretenden Spannung zeigt.
12 ist eine perspektivische Entwicklungsansicht eines Gassensorelements der Ausführungsform 3.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMSFORMEN DER ERFINDUNG
Als nächstes wird eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen des Gassensorelements der vorliegenden Erfindung vorgenommen.
Das Gassensorelement erfüllt die Bedingung (a) und/ oder die Bedingung (b).
Die Bedingung (a) ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers aus ionenleitfähigem Verbundmaterial hergestellt ist, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der ionenleitfähigen Keramik besteht.
Die Bedingung (b) ist, dass mindestens ein Teil des Isolators aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt ist, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik aufgebaut ist.
In dem Fall, in dem der Teilchendurchmesser 100 nm übersteigt, kann die Festigkeit des Festelektrolytkörpers und des Isolators vermindert werden. Demzufolge und in dem Fall, wenn das Gassensorelement einer Spannung unterliegt, die einen erlaubten Wert übersteigt, aufgrund von Fluten oder dergleichen, ein Zerbrechen oder dergleichen in dem Gassensorelement auftreten, was hervorruft, dass das Gassensorelement unfähig ist, korrekte Erfassung durchzuführen.
Ferner wird in dem Fall, in dem die Dispersionsmenge der Nanoteilchen weniger als 0,1 Gew.-% ist, der Effekt der Festigkeitsverbesserung nicht ausreichend erhalten, und es kann ein Zerbrechen oder dergleichen aufgrund von Fluten auftreten. Andererseits wird in dem Fall, in dem die Dispersionsmenge der Nanoteilchen 20 Gew.-% übersteigt, und die Nanoteilchen aus isolierendem Material hergestellt sind, die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolytkörpers vermindert und das Gassensorelement kann fehlfunktionieren. Andererseits wird in dem Fall, in dem die Diffusionsmenge der Nanoteilchen 20 Gew.-% übersteigt und die Nanoteilchen aus einem leitfähigen Material hergestellt sind, die Isolationsfähigkeit des Isolators vermindert und das Gassensorelement kann fehlfunktionieren.
Es ist bevorzugt, dass das Gassensorelement beide Bedingungen (a) und (b) erfüllt.
In dem Fall wird die Zuverlässigkeit des Gassensorelements weiter verbessert, da die Festigkeit sowohl in dem Festelektrolytkörper als auch dem Isolator verbessert wird, und es ist möglich, das Auftreten eines Zerbrechens oder dergleichen aufgrund von Fluten zu unterdrücken.
Ferner kann das Gassensorelement den Festelektrolytkörper einfach oder mehrfach haben.
Im Fall, dass es eine Mehrzahl der Festelektrolytkörper hat, kann mindestens einer durch das ionenleitfähige Verbundmaterial gebildet sein.
Ferner kann, wie der Festelektrolytkörper, das Gassensorelement den Isolator einfach oder mehrfach haben. In dem Fall, in dem es eine Mehrzahl von Isolatoren hat, kann mindestens einer durch das isolierende Verbundmaterial gebildet sein.
Ferner besteht der Festelektrolytkörper hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik.
Als die ionenleitfähige Keramik sind zum Beispiel Zirkoniumoxid, teilstabilisiertes Zirkoniumoxid, stabilisiertes Zirkoniumoxid, Ceroxid, Gadolinium, Ceroxidsäure-Strontium, Zirkoniumoxidsäure-Strontium, Ceroxidsäure-Barium, Zirkoniumoxidsäure-Barium etc. bekannt.
Ferner besteht der Isolator hauptsächlich aus isolierender Keramik.
Als die isolierende Keramik gibt es zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid etc..
Bevorzugt ist die ionenleitfähige Keramik aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid angefertigt, in welcher ein Stabilisator zu einer aus Zirkoniumoxid bestehenden Hauptkomponente zugegeben wird und die isolierende Keramik aus Aluminiumoxid hergestellt ist (Anspruch 2).
In diesem Fall bilden die ionenleitfähige Keramik und die isolierende Keramik eine chemisch stabile Kombination und können eine stabile Eigenschaft zeigen, selbst wenn sie in einer Umgebung verwendet werden, die eine oxidierende Atmosphäre und eine reduzierende Atmosphäre sein kann.
Im Allgemeinen nimmt ein Material, in welchem ein Stabilisator wie Magnesia (Magnesiumoxid), Kalziumoxid, Yttria (Yttriumoxid), Ceroxid, Titanoxid, ein Seltenerdoxid etc. zu Zirkonia (Zirkoniumoxid) mit mehreren Mol-% zugegeben sind, eine Fluoritstruktur des kubischen Systems ein und zeigt keinen Phasenübergang. Dies ist ein stabilisiertes Zirkoniumoxid. Das teilstabilisierte Zirkoniumoxid ist Zirkoniumoxid, dessen Zusammensetzung zum Teil stabilisiert ist.
Als die Nanoteilchen können solche verwendet werden, die aus einem Material wie die ionenleitfähige Keramik oder die isolierende Keramik hergestellt sind.
Bevorzugt sind die Nanoteilchen aus einer oder mehreren Arten hergestellt, die aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt sind (Anspruch 3).
In diesem Fall ist, da das aufbauende Material chemisch stabil ist, der Zustand der Dispersion in den Teilchen zu der Teilchengrenze gut wird und das ionenleitfähige Verbundmaterial und das isolierende Verbundmaterial durch die gleichen Elemente wie die aufbauenden Elemente des Gassensorelements gebildet werden können, es möglich, Alterungsschädigung etc. aufgrund einer Reaktion zwischen verschiedenen Elementen zu verhindern.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Festelektrolytkörper aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt ist, in welchem die Nanoteilchen aus Aluminiumoxid in der ionenleitfähigen Keramik aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid dispergiert sind, und der Isolator aus dem isolierenden Verbundmaterial hergestellt ist, in welchem die Nanoteilchen aus einer oder mehreren Arten, die aus Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt werden, in der isolierenden Keramik aus Aluminiumoxid dispergiert sind.
In diesem Fall ist, da der Festelektrolytkörper und der Isolator die gleichen Elemente einschließen, es möglich, den Festelektrolytkörper und den Isolator in einen guten Verbindungszustand in dem Fall zu versetzen, dass der Festelektrolytkörper und der Isolator laminiert sind, um zum Beispiel das Gassensorelement aufzubauen.
Ferner ist es in dem Gassensorelement bevorzugt, dass mindestens der Festelektrolytkörper, der an einer Position lokalisiert ist, um in Kontakt mit einem in das Gassensorelement eingeführten Gas oder atmosphärischer Luft zu sein, aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial hergestellt ist (Anspruch 4).
In diesem Fall ist es möglich, die Festigkeit des Festelektrolytkörpers, der an einem Abschnitt lokalisiert ist, welcher leicht geflutet wird, zu verbessern. Das heißt, der Festelektrolytkörper, welcher ein Gas wie ein Abgas, ein Referenzgas und atmosphärische Luft kontaktiert, wird leicht durch in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit geflutet. Durch Bilden dieses Festelektrolytkörpers, welcher leicht geflutet wird, durch das ionenleitfähige Verbundmaterial ist es möglich, den Festelektrolytkörper sicher vor einer Beschädigung durch Fluten zu bewahren.
Ferner ist es in dem Gassensorelement bevorzugt, dass mindestens der Isolator, der an einer Position lokalisiert ist, um in Kontakt mit einem in das Gassensorelement eingeführten Gas oder atmosphärischer Luft zu sein, aus dem isolierenden Verbundmaterial hergestellt ist (Anspruch 5).
In diesem Fall ist es möglich, die Festigkeit des Isolators, der an einer Position lokalisiert ist, welche leicht geflutet wird, zu verbessern. Das heißt, der Isolator, welcher ein Gas wie ein Abgas, ein Referenzgas und atmosphärische Luft kontaktiert, wird leicht durch in der im Gas enthaltene Feuchtigkeit geflutet. Durch Bilden dieses Isolators, welcher leicht geflutet werden kann, durch das isolierende Verbundmaterial ist es möglich, den Isolator sicher vor einer Beschädigung durch Fluten zu bewahren.
Das Gassensorelement kann für ein O₂-Sensorelement, ein NO_x-Sensorelement, ein HC-Sensorelement, ein CO-Sensorelement, ein A/F-Sensorelement und ein Verbundgassensorelement verwendet werden, die zum Beispiel dazu fähig sind, mehrere Arten von Gaskonzentrationen zu erfassen.
Ferner kann das Gassensorelement für ein laminiertes Element, welches durch Laminieren eines plattenartigen Festelektrolytkörpers und eines plattenartigen Isolators strukturiert ist, oder ein kelchförmiges Element mit einem Festelektrolytkörper einer mit Boden versehenen Zylinderform etc. angewendet werden.
Als nächstes werden in der zweiten Erfindung der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Formschritt, der Elektrodendruckabschnitt-Formschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt, der isolierende Keramik-Formschritt und der Backschritt ausgeführt.
In dem Nanoschlicker-Präparationsschritt wird Nanoschlicker durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel präpariert.
In dem Fall, in dem der Teilchendurchmesser 100 nm übersteigt, kann die Festigkeit des Festelektrolytkörpers des abschließend erhältlichen Gassensorelements verringert werden.
Als die Nanoteilchen können solche verwendet werden, die aus einem Material ähnlich der ionenleitfähigen Keramik oder der isolierenden Keramik hergestellt sind wie in dem Fall der ersten Erfindung. Bevorzugt sind die Nanoteilchen aus einer oder mehreren Arten hergestellt, die aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt sind.
In dem ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt wird ionenleitfähiger Keramikschlicker durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel präpariert.
Als die ionenleitfähige Keramik kann, wie in der ersten Erfindung, Zirkoniumoxid, teilstabilisiertes Zirkoniumoxid, stabilisiertes Zirkoniumoxid, Ceroxid, Gadolinium, Ceroxidsäure-Strontium, Zirkoniumoxidsäure-Strontium, Ceroxidsäure-Barium, Zirkoniumoxidsäure-Barium etc. verwendet werden. Bevorzugt ist das teilstabilisierte Zirkoniumoxid in welchem der Stabilisator zu einer aus Zirkoniumoxid bestehenden Hauptkomponente zugegeben wird, gut.
Ferner präpariert der isolierende Schlicker-Präparationsschritt einen isolierenden Keramikschlicker durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel.
Als die isolierende Keramik gibt es, wie in der ersten Erfindung, zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, etc.. Bevorzugt ist Aluminiumoxid gut.
Ferner werden in dem ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt der Nanoteilchenschlicker und der ionenleitfähige Keramikschlicker mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteile der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik gemischt. Dadurch kann ein ionenleitfähiger Verbundmaterialschlicker erhalten werden, in welchem die ionenleitfähige Keramik und die Nanoteilchen in dem Lösungsmittel dispergiert sind.
In dem Fall, in dem die Nanoteilchen weniger als 0,1 Gewichtsteil sind, wird der Effekt der Festigkeitsverbesserung durch die Nanoteilchen nicht in dem abschließend erhältlichen Gassensorelement ausreichend erhalten und es kann ein Zerbrechen oder dergleichen aufgrund des Flutens auftreten. Andererseits wird in dem Fall, dass 20 Gewichtsteile überstiegen werden, die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolytkörpers vermindert und das Gassensorelement kann fehlfunktionieren.
In dem ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt wird ein ionenleitfähiges Verbundmaterial-Formteil durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers angefertigt.
Ferner wird in dem isolierenden Keramik-Formschritt ein isolierendes Keramik-Formteil durch Formen des isolierenden Keramikschlickers angefertigt.
Das Formen kann durch das Doktor-Blade-Verfahren, Extrusionsformen, Spritzgießen, Schnittfabrikation, Druckformen, Laminierfabrikation etc. ausgeführt werden.
In dem Elektrodendruckschritt wird ein Paar von Elektrodendruckabschnitten so geformt, dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird. Um präziser zu sein können die Elektrodendruckabschnitte durch Drucken von Metallpaste, die durch Diffundieren leitfähigen Metalls wie Platin etc. in einem Lösungsmittel erhalten wurde, gebildet werden.
Ferner werden in dem Backschritt das ionenleitfähige Verbundmaterial-Formteil und das isolierende Keramik-Formteil integral gebacken. In dem Backschritt kann das Backen durch Erhitzen bei einer Temperatur von 1400°C bis 1550°C ausgeführt werden.
Auf diesem Weg kann ein Gassensorelement erhalten werden, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, das mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt. In dem in der zweiten Erfindung erhaltenen Gassensorelement ist mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers aus ionenleitfähigem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik besteht.
Als nächstes werden zum Herstellen des Gassensorelements in der dritten Erfindung der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Formschritt, der Backschritt, der Elektroden-Formschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt und der isolierende Keramikkörper-Formschritt ausgeführt.
In der dritten Erfindung sind der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Formschritt und der isolierende Schlicker-Präparationsschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der zweiten Erfindung.
In dem Backschritt der dritten Erfindung wird der Festelektrolytkörper durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils angefertigt. Das Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils kann zum Beispiel durch Erhitzen bei einer Temperatur von 1400°C bis 1550°C ausgeführt werden.
In dem Elektroden-Formschritt wird ein Paar von Elektroden so geformt, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird. Um präziser zu sein können die Elektroden durch Abscheiden leitfähigen Metalls auf dem Festelektrolyt durch Oberflächenbehandlung wie Plattieren etc. gebildet werden.
Ferner wird in dem isolierenden Keramikkörper-Formschritt ein isolierender Keramikkörper integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Keramikschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Keramikschlickers auf den Festelektrolytkörper geformt.
Wie vorstehend kann in der dritten Erfindung, wie auch in der zweiten Erfindung, ein Gassensorelement erhalten werden, welches einen Festelektrolytkörper aus ionenleitfähigem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt.
Als nächstes wird in der vierten Erfindung das Gassensorelement durch Ausführen des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Keramik- Formschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Formschritts, des Elektrodendruckabschnitt-Formschritts und des Backschritts hergestellt.
In der vierten Erfindung sind der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt und der isolierende Schlicker-Präparationsschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der zweiten Erfindung.
Ferner werden in dem isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt der Nanoteilchenschlicker und der isolierende Keramikschlicker mit einem Verhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik gemischt. Dadurch kann der isolierende Verbundmaterialschlicker erhalten werden, in welchem Nanoteilchenschlicker und isolierende Keramikschlicker in einem Lösungsmittel dispergiert sind.
In dem Fall, dass die Nanoteilchen weniger als 0,1 Gewichtsteile sind, wird der Effekt der Festigkeitsverbesserung durch die Nanoteilchen nicht ausreichend in dem abschließend erhältlichen Gassensorelement erhalten und es kann ein Zerbrechen oder dergleichen aufgrund von Fluten auftreten, wie zuvor beschrieben wurde. In dem Fall, dass andererseits 20 Gewichtsteile überstiegen werden, wird die Isolierfähigkeit des Isolators vermindert und das Gassensorelement kann fehlfunktionieren.
In dem ionenleitfähigen Keramik-Formschritt wird ein ionenleitfähiges Keramik-Formteil durch Formen des ionenleitfähigen Keramikschlickers angefertigt.
Ferner wird in dem isolierenden Verbundmaterial-Formschritt ein isolierendes Verbundmaterial-Formteil durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers angefertigt.
Wie in der zweiten Erfindung können diese Formungen durch das Doktor-Blade-Verfahren, Extrusionsformen, Spritzgießen, Schnittfabrikation, Druckformen, Laminationsfabrikation etc. ausgeführt werden.
In dem Elektrodendruckschnitt wird ein Paar von Elektrodendruckabschnitten so geformt, dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Keramik-Formteils dazwischen gehalten wird. Das Formen des Elektrodendruckabschnitts kann in der gleichen Art und Weise wie in der zweiten Erfindung ausgeführt werden.
Ferner werden in dem Backschritt das ionenleitfähige Keramik-Formteil und das isolierende Verbundmaterial-Formteil integral gebacken. In dem Backschritt kann das Backen durch Erhitzen bei einer Temperatur von 1400°C bis 1550°C ausgeführt werden.
Auf diesem Wege kann ein Gassensorelement erhalten werden, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers darin gehalten wird, einschließen. In dem durch die vierte Erfindung erhaltenen Gassensorelement ist mindestens ein Teil des Isolators aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew-% mit einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus dem isolierenden Keramik besteht.
Um als nächstes in der fünften Erfindung das Gassensorelement herzustellen, werden der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Keramik-Formschritt, der Backschritt, der Elektroden-Formschritt, der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt, der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt und der isolierende Keramikkörper-Formschritt ausgeführt.
In der fünften Erfindung sind der Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt und der isolierende Schlicker-Präparationsschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der zweiten Erfindung.
Ferner sind der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt und der ionenleitfähige Keramik-Formschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der vierten Erfindung. Ferner ist der Elektroden-Formschritt ein ähnlicher Schritt zu einem solchen Schritt in der dritten Erfindung.
In dem Backschritt wird der Festelektrolytkörper durch Backen des ionenleitfähigen Keramik-Formteils bei einer Temperatur von 1400°C bis 1550°C angefertigt.
Ferner wird in dem isolierenden Keramikkörper-Formschritt in der fünften Erfindung ein isolierender Keramikkörper integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf den Festelektrolytkörper gebildet.
Auf diesem Weg kann, wie in der vierten Erfindung, in der fünften Erfindung ein Gassensorelement erhalten werden, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus einem isolierenden Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente aus isolierender Keramik dispergiert sind, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt.
Als nächstes wird in der sechsten Erfindung das Gassensorelement durch Ausführen des ersten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts, des zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Formschritts, des Elektrodendruckabschnitt-Formschritts und des Backschritts hergestellt.
In der sechsten Erfindung sind der erste Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt und der zweite Nanoschlicker-Präparationsschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der zweiten Erfindung. Der erste Nanoschlicker-Präparationsschritt und der zweite Nanoschlicker-Präparationsschritt werden separat aus dem Grunde der Bequemlichkeit der Beschreibung beschrieben, sie sind jedoch im Wesentlichen ein gleicher Schritt wie der Nanoschlicker-Präparationsschritt in der zweiten Erfindung, das heißt, ein Schritt zum Dispergieren von Nanoteilchen in einem Lösungsmittel.
Ferner ist der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt ein ähnlicher Schritt zu dem der zweiten Erfindung und der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt ist ein ähnlicher Schritt zu dem der vierten Erfindung.
Der erste Nanoteilchenschlicker in dem ersten Nanoteilchenschlicker-Präparationsschritt ist ein mit dem ionenleitfähigen Keramikschlicker zu mischender Nanoteilchenschlicker. Andererseits ist der zweite Nanoteilchenschlicker in den zweiten Nanoteilchenschlicker- Präparationsschritt ein mit dem isolierenden Keramikschlicker zu mischender Nanoteilchenschlicker.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es bevorzugt, dass Materie, die aus einer oder mehrere Arten angefertigt wurde, die aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt wurde, als die Nanoteilchen verwendet wird (die ersten Nanoteilchen und die zweiten Nanoteilchen).
Ferner ist es bevorzugt, teilstabilisiertes Zirkoniumoxid als die ionenleitfähige Keramik in dem ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zu verwenden und Aluminiumoxid als die ersten Nanoteilchen in dem ersten Nanoschlicker-Präparationsschritt zu verwenden.
Ferner ist es insbesondere bevorzugt, Aluminiumoxid als die isolierende Keramik in dem isolierenden Keramikschlicker-Präparationsschritt zu verwenden und Nanoteilchen aus einer oder mehreren Arten, die aus Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt wurden, als den zweiten Nanoschlicker in dem zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritt zu verwenden.
In diesen Fällen schließen in dem abschließend erhältlichen Gassensorelement der Festelektrolytkörper und der Isolator die gleichen Elemente ein. Demzufolge ist es in dem Fall, in dem der Festelektrolytkörper und der Isolator laminiert werden, um das Gassensorelement aufzubauen, zum Beispiel möglich, den Festelektrolytkörper und den Isolator in einen guten Verbindungszustand zu bringen. Ferner wird in dem ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt, wie in der zweiten Erfindung, ein ionenleitfähiger Verbundmaterial-Formteil durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers angefertigt.
Ferner wird in dem isolierenden Verbundmaterial-Formschritt wie in der vierten Erfindung, ein isolierendes Verbundmaterial-Formteil durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers angefertigt.
Ferner wird in dem Elektrodendruckschritt, wie in der zweiten Erfindung, ein Paar von Elektrodendruckabschnitten so geformt, dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird.
Ferner wird in dem Backschritt das ionenleitfähige Verbundmaterial-Formteil und das isolierende Verbundmaterial-Formteil integral gebacken. In dem Backschritt kann das Backen durch Erhitzen bei einer Temperatur von 1400°C bis 1550°C ausgeführt werden.
Auf diesem Wege schließt das Gassensorelement einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, ein. In dem durch die sechste Erfindung erhaltenen Gassensorelement ist mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers aus ionenleitfähigem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, und mindestens ein Teil des Isolators ist aus einem isolierenden Verbundmaterial hergestellt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert, die aus isolierender Keramik bestehen.
Um als nächstes in der siebten Erfindung das Gassensorelement herzustellen, werden der erste Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Verbundmaterial-Formschritt, der Backschritt, der Elektroden-Formschritt, der zweite Nanoschlicker-Präparationsschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt und der isolierende Keramikkörper-Formschritt ausgeführt.
In der siebten Erfindung sind der erste Nanoschlicker-Präparationsschritt, der ionenleitfähige Schlicker-Präparationsschritt, der isolierende Schlicker-Präparationsschritt und der zweite Nanoschlicker-Präparationsschritt ähnliche Schritte zu jedem der Schritte der zweiten Erfindung. Ferner ist der ionenleitfähige Verbundmaterial-Präparationsschritt ein ähnlicher Schritt zu dem der zweiten Erfindung, und der isolierende Verbundmaterial-Präparationsschritt ist ein ähnlicher Schritt zu dem der vierten Erfindung.
In dem ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt wird, wie in der zweiten Erfindung, ein ionenleitfähiger Verbundmaterial-Formteil durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers angefertigt.
In dem Backschritt wird, wie in der dritten Erfindung, der Festelektrolytkörper durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils angefertigt. In dem Elektroden-Formschritt wird, wie in der dritten Erfindung, ein Paar von Elektroden so geformt, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird.
Ferner wird in den isolierenden Keramikkörper-Formschritt, wie in der fünften Erfindung, ein isolierender Keramikkörper integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf den Festelektrolytkörper geformt.
Wie vorstehend kann in der siebten Erfindung, wie in der sechsten Erfindung, ein Gassensorelement erhalten werden, welches einen Festelektrolytkörper aus einem ionenleitfähigen Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, in welcher Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Paar von Elektroden, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt.
In der zweiten bis siebten Erfindung ist jeder Schlicker (Nanoteilchenschlicker, ionenleitfähiger Keramikschlicker, isolierender Keramikschlicker, ionenleitfähiger Verbundmaterialschlicker, isolierender Verbundmaterialschlicker) eine Festphasen-Dispersionsflüssigkeit, in welcher Teilchen dispergiert sind.
Als das die Dispersion der Nanoteilchen, der Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und der Teilchen der isolierenden Keramik hervorrufendes Lösungsmittel kann Alkohol wie Ethanol, 2-Butanol etc. und verschiedene Arten von organischen Lösungsmitteln wie Polyvinylbutyrat (PVB) ein Benzylbutylphthalat (BBP) verwendet werden. Es ist möglich, ein gemischtes Lösungsmittel zu verwenden, in welchem zwei oder mehr Arten, die aus diesen Alkoholen und organischen Lösungsmitteln ausgewählt wurden, gemischt werden.
Ferner ist es bevorzugt, durch Verwenden eines Hochdruck-Dispersionsgeräts, welches einen Flusskanal, der als ein Durchgang für jeden Schlicker dient, und einen Kollisionsabschnitt, der mittig in dem Flusskanal angeordnet ist, einschließt, ein Hochdruck-Dispersions-Verfahren auszuführen, in dem jeder Schlicker mit Druck zu dem Flusskanal des Hochdruck-Dispersionsgeräts zugeführt wird, um die Dispersion jedes Schlickers, der mit dem Kollisionsabschnitt unter einem Druck von 10 bis 400 MPa kollidiert, in jedem Schritt hervorzurufen, der jeden vorstehenden Schlicker herstellt (Anspruch 8, Anspruch 15, Anspruch 22).
In diesem Fall ist es möglich, die Nanoteilchen, die Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und die Teilchen der isolierenden Keramik am Ausflocken zum Bilden sekundärer Teilchen zu hindern und die Teilchen zu nahezu Primärteilchen in jedem Schlicker zu dispergieren. Ferner ist es möglich, die Teilchen gleichmäßiger zu dispergieren und den gleichmäßigen Dispersionszustand für eine lange Zeitspanne aufrecht zu erhalten. Als ein Ergebnis kann die Gleichmäßigkeit der inneren Zusammensetzung des Festelektrolytkörpers und des Isolators weiter verbessert werden und die Gleichmäßigkeit der Dispersion der Nanoteilchen kann ferner verbessert werden. Folglich kann ein Gassensor mit exzellenter Festigkeit erhalten werden. Ferner kann in diesem Fall die Dispersion der Nanoteilchen, der ionenleitfähigen Keramik und der Teilchen der isolierenden Keramik effizient und kontinuierlich ausgeführt werden.
Wenn der Druck niedriger als 10 MPa ist, kann die Dispersion unzureichend sein oder Ausscheidung kann in dem Schlicker in einer relativ kurzen Zeit auftreten. Andererseits ist es praktisch schwierig, einen 400 MPa übersteigenden Druck anzulegen, und dies kann hohe Kosten verursachen.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Hochdruck-Dispersionsgerät einen Misch-Dispersions-Abschnitt einschließt, in welchem eine bewegliche Öffnung so vorgesehen ist, dass sie sich auf- und abbewegt, um das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung eines vorderen Endabschnitt der beweglichen Öffnung, der zu der Innenseite des Misch-Dispersions-Abschnitt hin freiliegt, als den Kollisionsabschnitt auszuführen.
In diesem Fall ist es möglich, eine Druckänderung oder eine Schockwelle in der Umgebung eines Ortes (dem vorderen Endabschnitt) zu erzeugen, wo der Schlicker mit der beweglichen Öffnung kollidiert. Als ein Ergebnis wird es möglich, die Aktionen von hoher Miniaturisierung, Dispersion, Emulgierung und Mischung auf den Schlicker aufzubringen, so dass die Nanoteilchen, die Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und die Teilchen der isolierenden Keramik gleichmäßig effizient und sicher in dem Lösungsmittel dispergiert werden können und der Schlicker in einem langzeitstabilen Dispersionszustand präpariert werden kann.
Ferner ist es mit dem Hochdruck-Dispersionsgerät möglich, das Volumen des Flusskanals durch die bewegliche Öffnung zu variieren und das Volumen des Flusskanals kann in Übereinstimmung mit dem Teilchendurchmesser oder der Konzentration der in dem eingeführten Schlicker enthaltenen Teilchen gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die gleichmäßige Dispersion optimal und stabil zu steuern.
Als das Hochdruck-Dispersionsgerät kann ein Hochdruck-Homogenisierer verwendet werden. Der Hochdruck-Homogenisierer führt den Schlicker bei hohem Druck unter Druck zu, um einen Hochgeschwindigkeitsfluss zu erzeugen. Und die Schockwelle kann durch diesen Hochgeschwindigkeitsfluss erzeugt werden. Durch diese Schockwelle ist es möglich, ausgeflockte Anteile der Nanoteilchen, der Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und der Teilchen der isolierenden Keramik zu brechen und diese zu einem hauptsächlichen Teilchenzustand zu dispergieren, um dadurch einen gleichmäßigen Schlicker zu erhalten. Ferner ist es durch das Zuführen des Schlickers unter Druck bei einem hohen Druck von 10 bis 400 MPa, wie vorstehend beschrieben, möglich, mechanische Scherkraft auf den Schlicker aufzubringen, um noch gleichmäßiger zu dispergieren.
Ferner ist es bevorzugt, in jedem Schritt zur Herstellung jedes Schlickers ein Rühr-Dispersions-Verfahren auszuführen, in welchem jeder Schlicker dispergiert wird, während er gerührt wird, um mit Scherkraft beaufschlagt zu werden (Anspruch 10, Anspruch 17, Anspruch 24).
In diesem Fall ist es möglich, ein Ausflocken zum Bilden sekundärer Teilchen der Nanoteilchen, der Teilchen der ionenleitfähigen Keramik, der Teilchen der isolierenden Keramik zu verhindern und die Teilchen zu nahezu Primärteilchen in jedem Schlicker zu dispergieren. Ferner ist es möglich, die Teilchen gleichmäßiger zu dispergieren und den gleichmäßigen Dispersionszustand für einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten. Als ein Ergebnis kann die Gleichmäßigkeit der inneren Zusammensetzung des Festelektrolytkörpers und des Isolators weiter verbessert werden und die Gleichmäßigkeit der Dispersion der Nanoteilchen kann weiter verbessert werden. Folglich kann ein Gassensorelement mit exzellenter Festigkeit erhalten werden. Ferner kann in diesem Fall die Dispersion der Nanoteilchen, der Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und der Teilchen der isolierenden Keramik effizient und kontinuierlich ausgeführt werden.
Es ist bevorzugt, dass das Rühr-Dispersions-Verfahren durch Rühren jedes Schlickers in einem Rührtank, der einen geschlossenen druckdichten Behälters und auf einen drehbaren Schaft montierte Drehschieber, die in den geschlossen druckdichten Behälter vorgesehen sind, einschließt, auszuführen (Anspruch 11, Anspruch 18, Anspruch 25).
In diesem Fall kann der Schlicker mit Leichtigkeit mit Scherkraft beaufschlagt werden.
Das heißt, wenn jeder Schlicker unter Druck zu dem Rührtank zugeführt wird, wird der Schlicker gegen die Innenwandoberfläche des geschlossenen druckdichten Behälters durch die Zentrifugalkraft gedrückt, die durch die Drehung der Drehschieber in den geschlossenen druckdichten Behälter hervorgerufen wird. Der Schlicker kann mit mechanischer Scherkraft aufgrund der demzufolge hervorgerufenen Scherspannung beaufschlagt werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Rühr-Dispersions-Verfahren unter Druck von 10 bis 400 MPa ausgeführt wird.
Wenn der Druck unter 10 MPa ist, wird die Dispersion in das Lösungsmittel unzureichend und Ausscheidung von Nanoteilchen kann in dem Schlicker in einer relativ kurzen Zeit auftreten. Wenn andererseits der Druck jenseits von 400 MPa ist, ist es schwierig, diesen auf den Schlicker aufzubringen, und da ein Gerät mit extremer Hochdruckdichtigkeit verwendet werden muss, können die Herstellungskosten ansteigen.
Es ist ferner bevorzugt, dass ein Zwischenraum zwischen den Drehschiebern und dem geschlossenen druckdichten Behälter nicht größer als 5 mm ist.
In diesem Fall wird der in den vorderen Enden (die Enden auf der Seite näher an der Innenwandoberfläche des geschlossenen druckdichten Behälters) des Drehschiebers vorhandene Schlicker vollständig durch die Drehschieber gerührt. Als ein Ergebnis wird es möglich, die Aktionen von hoher Miniaturisierung, Dispersion, Mischung, Emulgierung etc. auf den Schlicker auszuüben.
Ferner wird der in der Innenseite und der Außenseite der Drehebene der Drehschieber vorhandene Schlicker durch Geschwindigkeitsunterschied aufgrund der Trägheit des Schlickers selbst, der Erzeugung von Wirbelflüssen etc. gemischt.
Ferner ist es in der zweiten und der dritten Erfindung bevorzugt, den Schlicker von einer oder mehreren Arten, die aus dem Nanoteilchenschlicker, dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker und dem isolierenden Keramikschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran zu dispergieren (Anspruch 12).
Ferner ist es auch in der vierten und fünften Erfindung bevorzugt, den Schlicker von einer oder mehrerer Arten, die aus dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem Nanoteilchenschlicker, dem isolierenden Keramikschlicker und dem isolierenden Verbundmaterialschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran zu dispergieren (Anspruch 19).
Ferner ist es auch in der sechsten und siebten Erfindung bevorzugt, den Schlicker von einer oder mehrerer Arten, die aus dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem ersten Nanoteilchenschlicker, dem ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker, dem isolierenden Keramikschlicker, dem zweiten Nanoteilchenschlicker und dem isolierenden Verbundmaterialschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran zu dispergieren (Anspruch 26).
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es durch Anlegen von Ultraschall an jeden Schlicker möglich, die in jedem Schlicker enthaltenen Teilchen am erneuten Ausflocken zu hindern. Demzufolge ist es möglich, die gleichmäßige Dispersion für einen langen Zeitraum stabil zu halten.
Die vorstehende Dispersion durch Ultraschall kann in den Schritten zum Dispergieren jedes Schlickers (Nanoschlicker-Präparationsschritt, ionenleitfähiger Schlicker-Präparationsschritt, isolierender Schlicker-Präparationsschritt, ionenleitfähiger Verbundmaterialschlicker-Präparationsschritt und isolierender Verbundmaterial-Präparationsschritt) ausgeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Dispersion durch Ultraschall in Verbindung mit dem Hochdruck-Dispersions-Verfahren und dem Rühr-Dispersions-Verfahren ausgeführt werden.
Ferner kann die Dispersion durch Ultraschall unmittelbar vor dem Schritt zum Bilden jedes Schlickers (ionenleitfähiger Keramik-Präparationsschritt, isolierender Keramik-Präparationsschritt, ionenleitfähiger Verbundmaterial-Präparationsschritt, isolierender Verbundmaterial-Präparationsschritt) und den Schritt zum Backen oder Plasmaspritzen des isolierenden Keramikschlickers oder des isolierenden Verbundmaterialschlickers (der isolierende Keramikkörper-Formschritt) ausgeführt werden.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Als nächstes wird ein Gassensorelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf 1 bis 3 erläutert.
Das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform schließt einen Festelektrolytkörper 11, Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 163, 161, 162, 164, 165, ein Paar von Elektroden 121, 131, das so geformt ist, dass der Festelektrolytkörper 11 dazwischen gehalten wird, und einen Heizer 19 ein. Der Festelektrolytkörper 11 ist aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid angefertigt. Ferner sind die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 163, 161, 162, 164, 165 aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik mit elektrischer Isolationsfähigkeit besteht.
In dieser Ausführungsform ist das Paar von Elektroden 121, 131 jeweils eine Messgasseitenelektrode 121, welche einer Messgasatmosphäre zugewandt ist, und eine Referenzelektrode 131, welche einer Referenzgasatmosphäre zugewandt ist. Der Festelektrolytkörper 11 ist mit dem gasdurchlässigen Isolator (Diffusionsschicht) 141 laminiert, welcher die Messgasseitenelektrode 121 bedeckt, und die Diffusionsschicht 141 ist mit dem gasundurchlässigen Isolator (Abschirmschicht) 142 laminiert.
Im Folgenden wird die Erläuterung im Detail vorgenommen.
Das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform wird in einen Gassensor einbezogen verwendet, der in einem Abgassystem eines Fahrzeugmotors montiert ist. Dieser Gassensor misst die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas und erfasst das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Motors von einem gemessenen Wert, wobei das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur Verbrennungssteuerung des Motors verwendet wird.
Wie in 1 bis 3 gezeigt wird, ist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform durch Laminieren der Referenzgaskammer-Bildungsplatte (Isolator) 15, des Festelektrolytkörpers 11, der Diffusionsschicht 141 und der Abschirmschicht 142 strukturiert.
Die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 schließt einen Nutenabschnitt 150 mit einem U-förmigen Querschnitt ein, welcher als eine Referenzgaskammer dient, in welche ein Referenzgas eingeführt wird.
Der Festelektrolytkörper 11, welcher die Messgasseitenelektrode 121 und die Referenzelektrode 131 einschließt, ist mit Leiterabschnitten 122, 132 versehen, welche elektrisch zu diesen Elektroden 121, 131 verbinden.
Ferner ist die Diffusionsschicht 141 so laminiert, dass sie die Messgasseitenelektrode 121 bedeckt, und die Abschirmschicht 142 ist so laminiert, dass sie die Diffusionsschicht 141 bedeckt.
Ferner ist das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform integral mit dem Keramikheizer 19 an einer Oberfläche der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 gegenüber des Festelektrolytkörpers 11 versehen.
Der Keramikheizer 19 ist durch eine Heizerlage 191, ein in der Heizerlage 191 vorgesehenes Wärme erzeugendes Element 181, einen Energie zu dem Wärme erzeugenden Element 181 zuführenden Leiterabschnitt 182 und zwei Heizerisolierplatten 195, 197, die so laminiert sind, dass sie das Wärme erzeugende Element 181 bedecken, aufgebaut.
Die Heizerisolierplatte 195 hat einen Fensterabschnitt 196. Dieser Fensterabschnitt 196, welcher die gleiche Form wie das Wärme erzeugende Element 181 und der Leiterabschnitt 182 hat, um dazu fähig zu sein, beide einzubauen, ist bereitgestellt, um Unebenheiten zu glätten, wenn das Wärme erzeugende Element 181 und der Leiterabschnitt 182 zwischen die Heizerlage 191 und die Heizerisolierplatte 197 zwischengelegt wird.
Ferner verbindet der Leiterabschnitt 182 elektrisch zu einem Anschluss 183 durch ein durchgehendes Loch 190, das in der Heizerlage 191 bereitgestellt ist.
Zwischen der Heizerisolierplatte 197 und der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, zwischen der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 und dem Festelektrolytkörper 11 und zwischen der Diffusionsschicht 141 und der Abschirmschicht 142 sind Haftschichten 161, 162, 165 jeweils zwischengelegt. Ferner sind die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 164 zwischen den Festelektrolytkörper 11 und die Diffusionsschicht 141 zwischengelegt.
Die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, die Diffusionsschicht 141, die Heizerlage 191, die Heizerisolierplatten 195, 197, die Isolierschicht 163 und die Haftschichten 161, 162, 164, 165 sind alle Isolatoren und diese Isolatoren bestehen hauptsächlich aus Aluminiumoxid als isolierende Keramik.
Ferner ist die Porosität der Diffusionsschicht 141 14%.
In jedem der Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 sind die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit etwa 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert, die aus jeder isolierenden Keramik (Aluminiumoxid) besteht. Im Übrigen wurden in dieser Ausführungsform kommerziell erhältliche Zirkoniumoxid-Nanoteilchen (Teilchendurchmesser etwa 10 bis 50 nm) als die Nanoteilchen 10 verwendet.
Ferner ist der Festelektrolytkörper 11 aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid angefertigt, in welchem Yttriumoxid mit 6 Mol-% zu Zirkoniumoxid zugegeben ist.
Der Festelektrolytkörper 11 schließt die Referenzelektrode 131, welche dem Nutenabschnitt 150 zugewandt ist, der als die Referenzgaskammer dient, ein, und die Haftschicht 162 schließt ein Fenster 139 an einer Position ein, die der Referenzelektrode 131 zugewandt ist. Ferner verbindet die Referenzelektrode 131 elektrisch zu einem Anschluss 136 durch den Leiterabschnitt 132, einen inneren Anschluss 133, ein leitfähiges durchgehendes Loch 134, das in dem Festelektrolytkörper 11 vorgesehen ist, und ein leitfähiges durchgehendes Loch 135, das in der Isolierschicht 163 vorgesehen ist.
Die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 164 schließen Fenster 128, 129 an Positionen ein, die der Messgasseitenelektrode 121 zugewandt sind. Ferner verbindet die Messgasseitenelektrode 121 elektrisch zu einem Anschluss 123 durch den Leiterabschnitt 122.
Der Ausgang des Gassensorelements 1 kann durch die Anschlüsse 123, 136 erhalten werden.
Wie ferner in 3 gezeigt wird, dienen die in der Isolierschicht 163 und der Haftschicht 164 vorgesehenen Fenster 128, 129 als schmale Kammer 127, welche die Messgasseitenelektrode 121 durch Lamination einhaust. Ein Messgas wird in diese kleine Kammer 127 durch die Diffusionsschicht 141 eingeführt.
Als nächstes wird eine Erläuterung für ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 1 dieser Ausführungsform vorgenommen.
In dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform wird ein Gassensorelement durch Ausführen des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Keramik-Formschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Formschritts, des Elektrodendruckabschnitt-Formschritts und des Backschritts hergestellt.
Um präziser zu sein wird eine Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 durch das Doktor-Blade-Verfahren oder das Extrusionsformverfahren hergestellt. Nachfolgend werden Druckabschnitte zum Bilden der Messgasseitenelektrode 121, der Referenzelektrode 131, des Leiterabschnitts 132 und des inneren Anschlusses 133 in dieser Grünfolie vorgesehen. Im Übrigen wird die Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 im Vorhinein mit dem durchgehenden Loch 134 versehen.
Ein ungebackenes Formteil für die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 wird durch Spritzgießen, Schnittfabrikation, Druckformen, Laminationsfabrikation von Grünfolien etc. hergestellt. Ferner werden Grünfolien für die Heizerlage 191, die Abschirmschicht 142 und die Diffusionsschicht 141 durch das Doktor-Blade-Verfahren, das Extrusionsformverfahren etc. hergestellt.
Ferner können die Abschirmschicht 142 und die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker hergestellt sein.
Ferner wird die Grünfolie für die Heizerlage 191 mit einem Druckabschnitt für das Wärme erzeugende Element 181 etc. versehen.
Ferner wird für die verschiedenen Haftschichten 161, 162, 164, 165 und die Isolierschicht 163 ein Schlicker für die Haftschicht oder die Isolierschicht angefertigt und auf die Grünfolien gedruckt. Diese mit den Fenstern 129, 139, 128 werden durch Siebdruck unter Verwendung von Schlicker gebildet und die Heizerisolierplatten 195, 197 werden auch durch Siebdruck unter Verwendung von Schlicker gebildet.
Ferner ist die Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 mit Druckabschnitten zum Formen der Messgasseitenelektrode 121, des Leiterabschnitts 122 und der Anschlüsse 136 und 123 versehen, nachdem der Schlicker für die Isolierschicht 163 aufgetragen wurde.
Ferner kann in dem Fall, dass mindestens die Abschirmschicht 142 und/oder die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker hergestellt ist, die Haftschicht 165 eliminiert werden. Ferner kann in dem Fall, dass die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker hergestellt ist, diese auf die Haftschicht 164 übergelegt werden. Das heißt, es ist möglich, die Haftschicht 164 integral mit der Diffusionsschicht 141 zu bilden.
Im Übrigen wurden die Grünfolien oder Schlicker zum Bilden der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, der Diffusionsschicht 141, der Abschirmschicht 142, der Heizerlage 191, der Heizerisolierplatten 195, 197, der Isolierschicht 163 und der Haftschichten 161, 162, 164, 165 durch Zugeben von Lösungsmittel wie Alkohol wie Ethanol, 2-Butanol etc., Essigsäureisoamylalkohol, Sorbitantrioleat (SPN), Polyvinylbutyrat (PVB), Benzylbutylphthalat (BBP) zu isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem die Nanoteilchen (Zirkoniumoxid-Nanoteilchen) 10 mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik (Aluminiumoxid) besteht. Die Grünfolien wurden durch Bilden des Schlickers (isolierender Verbundmaterialschlicker) angefertigt, in welchem die isolierende Keramik und die Nanoteilchen 10 in einem Lösungsmittel dispergiert sind. Der isolierende Verbundmaterialschlicker wurde durch Mischen des isolierenden Keramikschlickers, der durch Dispergieren der isolierenden Keramik in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, und des Nanoteilchenschlickers der durch Dispergieren der Nanoteilchen in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, präpariert.
Ferner wurde die Grünfolie für den Festelektrolytkörper durch Präparieren eines Schlickers (ionenleitfähiger Keramikschlicker) durch Dispergieren in einem Lösungsmittel von ionenleitfähiger Keramik, die aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid gemacht ist, in welcher Yttriumoxid mit 6 Mol-% zu Zirkoniumoxid zugegeben wurde, und durch Formen dieses Schlickers angefertigt.
Ferner wurde das Herstellen jedes Schlickers das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung des Hochdruck-Dispersionsgeräts (Hochdruck-Homogenisierer) ausgeführt.
Wie in 4 und 5 gezeigt wird, schließt das Hochdruck-Dispersionsgerät 4 den Misch-Dispersions-Abschnitt 42 ein, in welchem die bewegliche Öffnung 44 so bereitgestellt ist, dass sie sich auf- und abbewegt. Der Misch-Dispersions-Abschnitt 42 ist mit einem Vorratstank 43 durch Leitern e1, e2, e3 verbunden. Ferner ist das Hochdruck-Dispersionsgerät 4 mit einer Hochdruckpumpe 41 zum Betreiben der beweglichen Öffnung 44 versehen. Die Hochdruckpumpe 41 und die bewegliche Öffnung 44 werden durch komprimierte Luft betrieben, die durch die Pfeile d1, d2 gezeigt wird.
In dem Hochdruck-Dispersions-Verfahren wird jeder Schlicker von der Leitung e1 des Hochdruck-Dispersionsgerätes 4 eingeführt. Der eingeführte Schlicker wird unter Druck zu dem Misch-Dispersions-Abschnitt 42 zugeführt und kollidiert mit einem vorderen Ende (Kollisionsabschnitt 440) der beweglichen Öffnung 44 unter hohem Druck (200 MPa). Zu diesem Zeitpunkt bildet der Schlicker einen Hochgeschwindigkeitsfluss, und ausgeflockte Anteile in dem Schlicker werden durch mit diesem Hochgeschwindigkeitsfluss gebildeten Schock gebrochen, was es diesen ermöglicht, in einem Primärteilchenzustand zu dispergieren. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt des Hochdruckzuführens eine mechanische Scherkraft auf den Schlicker aufgebracht und gleichmäßigere Dispersion kann durch diese Scherkraft vorangetrieben werden.
Nach der Kollision mit dem Kollisionsabschnitt 440 läuft der Schlicker auseinander, fließt aus den zwei Ausgängen 421, 422, läuft in der Leitung e3 zusammen und kehrt in den Vorratstank 43 zurück. Es ist möglich, den Schlicker erneut von dem Vorratstank 43 zu dem Misch-Dispersions-Abschnitt 42 durch die Leitern e2 und e1 zu zirkulieren.
Jede der wie vorstehend angefertigten Grünfolien wurde in der in 1 gezeigten Abfolge laminiert und gepresst und als eine Folge wurden sie gegenseitig durch Haftung (Klebefähigkeit) der Haftschichten 161, 162, 164, 165 angehaftet und ein ungebackener laminierter Körper wurde erhalten. Dieser ungebackene laminierte Körper wurde durch Aufheizen auf 1470°C gebacken.
Danach wurde durch Abkühlen von 1470°C auf Raumtemperatur das Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform erhalten.
Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform werden erläutert.
In dem Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform sind die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, die Diffusionsschicht 141, die Abschirmschicht 142, die Heizerlage 191, die Heizerisolierplatten 195, 197, die Isolierschicht 163 und die Haftschichten 161, 162, 164, 165 aus isolierendem Verbundmaterial hergestellte Isolatoren. Das heißt, die Isolatoren bestehen hauptsächlich aus Aluminiumoxid, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm dispergiert sind.
Demzufolge können die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 großer Spannung widerstehen, welche zum Beispiel 350 MPa übersteigt und können exzellente Festigkeit zeigen. Selbst wenn folglich das Gassensorelement geflutet wird und große Spannungen in den Isolatoren auftreten ist es möglich, die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 vor dem Brechen zu bewahren. Demzufolge ist es möglich, zu unterdrücken, dass die Genauigkeit der Messung von Konzentrationen von verschiedenen Arten von Gasen durch das Gassensorelement 1 verloren geht.
Insbesondere fertigt in dem Gassensorelement 1 dieser Ausführungsform das isolierende Verbundmaterial die Isolierschicht 163, die Haftschichten 164, 165, die Diffusionsschicht 141 und die Abschirmschicht 142, welche während des Betriebes Gas wie ein Abgas direkt kontaktieren, die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 und die Haftschicht 162, welche das Referenzgas kontaktieren, an und die Heizerlage 191 und die Heizerisolierplatten 195, 197 des Heizers 19, welche leicht eine Temperaturänderung erfahren und die externe atmosphärische Luft kontaktieren. Demzufolge ist es, selbst wenn Abschnitte, in denen verschiedene Gase wie das Abgas, atmosphärische Luft und das Referenzgas in Kontakt mit den verschiedenen Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 geflutet werden und große Spannungen auftreten, das Auftreten von Zerbrechen oder Bruch zu verhindern, da die verschiedenen Isolatoren exzellente Festigkeit, wie vorstehend beschrieben wurde, zeigen.
Ferner sind in den verschiedenen Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 die Nanoteilchen 10 mit 2 Gew.-% in der Hauptkomponente dispergiert, welche aus Aluminiumoxid besteht. Folglich wird die Isolierfähigkeit der Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165 ausreichend sichergestellt.
Demzufolge kann das Gassensorelement 1 eine exzellente Festigkeit zeigen, während es die Funktion als ein Gassensorelement sicherstellt. Selbst wenn folglich das Gassensorelement 1 mit einer großen Spannung beaufschlagt wird, kann das Auftreten von Bruch wie Zerbrechen etc. verhindert werden. Daher kann das Gassensorelement 1 eine korrekte Erfassung ausführen und ist in seiner Zuverlässigkeit exzellent.
Ausführungsform 2
Wie in 6 gezeigt wird, ist diese Ausführungsform ein Beispiel eines Sauerstoffkonzentrations-Gassensorelements 2 vom elektromotorischen Krafttyp mit einem mit Boden versehenen Zylinderform und einer Kelchform.
Wie in 7 gezeigt wird, ist dieses Element in einen Sauerstoffsensor einbezogen. Und dieser Sauerstoffsensor ist an einer Abgasleitung eines Fahrzeugmotors montiert, um ein Luft-Brennstoff-Verhältnis aus der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu erfassen, welches in einer engen Beziehung mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis eines zur Verbrennung zugeführten Mischungsgases steht.
Wie in 6 und 7 gezeigt wird, ist das Gassensorelement 2 durch einen Festelektrolytkörper 20, ein Paar Messgasseitenelektroden 22 und eine Referenzgasseitenelektrode 21 aufgebaut, die eine elektrochemische Zelle aufbauen. Die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas wird durch diese Zelle gemessen.
Und es ist ferner eine poröse Schutzschicht 23, welche die Messgasseitenelektrode 22 schützt und die Diffusion des Messgases steuert, und eine poröse Schutzschicht 24, welche die poröse Schutzschicht 23 bedeckt, eingeschlossen. Die porösen Schutzschichten 23, 24 sind Isolatoren, die durch Sprühen von MgO·Al₂O₃ Spinell gebildet wurden.
In dieser Ausführungsform besteht der Festelektrolytkörper 20 hauptsächlich aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid, das ionenleitfähige Keramik ist, in welcher Nanoteilchen 28 aus Aluminiumoxid dispergiert sind.
Ferner bestehen die porösen Schutzschichten (Isolator) 23, 24 hauptsächlich aus Aluminiumoxid, um präziser zu sein aus Al₂O₃·MgO, in welchem Nanoteilchen 29 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid dispergiert sind.
7 ist ein Sauerstoffsensor 3, der das Gassensorelement 2 dieser Ausführungsform einbezieht.
Der Sauerstoffsensor 3 schließt das eine elektrochemische Zelle bildende Gassensorelement 2 und ein das Gassensorelement 2 einhausende Gehäuse 32 ein.
Das Gehäuse 32 schließt einen Körperabschnitt 33, der mit einem Flansch 331 an seiner ungefähren Mittelposition versehen ist, eine Abgasabdeckung 34, die unter dem Körperabschnitt 33 lokalisiert ist und in die Abgasleitung des Fahrzeugmotors eingesetzt ist, und eine atmosphärische Abdeckung 35, die über dem Körperabschnitt 33 lokalisiert ist und die atmosphärische Luft kontaktiert, ein. Die Abgasabdeckung 34 schließt eine Innenabdeckung 341 und eine Außenabdeckung 342 jeweils aus rostfreiem Stahl ein, die Innenabdeckung 341 und die Außenabdeckung 342 sind mit Abgaseinführungsmündungen 343, 344 versehen.
Andererseits schließt die atmosphärische Abdeckung 35 eine Hauptabdeckung 351, die mit dem Körperabschnitt 33 übereinstimmt, und eine Unterabdeckung 352, welche das hintere Ende der Hauptabdeckung 351 abdeckt, ein, die Hauptabdeckung 351 und die Unterabdeckung 352 sind mit nicht gezeigten atmosphärische Luft einführenden Mündungen versehen.
Und das Gassensorelement 2 wird zur Innenseite des Gehäuses 32 des Sauerstoffsensors 3 durch ein Isolierelement 332 gehalten.
Ferner sind ein Anschlussabschnitt, der von der Referenzgasseitenelektrode 21 des Gassensorelements 2 leitet, und eine Anschlussabschnitt, der von der Messgasseitenelektrode 22 leitet, (beide sind von der Darstellung weggelassen) mit plattenähnlichen Metallanschlüssen 361, 362 versehen, welche diese so halten, dass sie diese einschließen.
Und die plattenähnlichen Anschlüsse 361, 362 sind mit Ausgangs ausziehenden Leitern 371, 272 verbunden.
Das heißt, in den plattenähnlichen Anschlüssen 361, 362 sind streifenähnliche Anschlussstücke 363, 364 in Kontaktstücken 365, 366 vorgesehen, um davon hervorzuragen. Und die Anschlussstücke 363, 364 sind zu einen Enden 385, 386 von Verbindern 381, 382 verbunden, deren andere Enden 383, 384 zu den Leitern 371, 372 verbunden sind.
In den plattenähnlichen Anschlüssen 361, 362 ist eine Metallplatte einer umgekehrten T-Form zylindrisch deformiert, um darin den Anschlussabschnitt, der von der Referenzgasseitenelektrode 121 leitet, und den Anschlussabschnitt, der von der Messgasseitenelektrode 22 leitet, darin zu halten.
Und ein geeigneter Kontaktdruck wird zwischen den plattenähnlichen Anschlüssen 361, 362 und der Referenzgasseiten- und Messgasseitenelektrode durch elastische Federkraft der Metallplatten angelegt.
Da andererseits eine Zugkraft in der axialen Richtung des Sauerstoffsensors 2 auf die Leitern 371, 372 wirkt, kann es auftreten, dass die plattenähnlichen Anschlüsse 361, 362 durch die Verbinder 381, 382 gezogen werden und in der axialen Richtung gleiten.
Um dies zu verhindern, ist der Sauerstoffsensor 3 mit einem Stopper 393 versehen, der an seinem Endabschnitt zwischen Gummibuchsen 391, 392 gehalten wird. Der Stopper 393 dient zum Unterdrücken der Bewegung der Verbinder 381, 382 und ist durch ein Harzmaterial gebildet, um die Isolation zwischen den Leitern 371, 372 zu erhalten.
Im Übrigen bezeichnet Bezugszeichen 373 einen Strom befördernden Draht für den Heizer, welcher das Gassensorelement 2 erhitzt.
Und der Sauerstoffsensor 3 ist in die Abgasleitung des Fahrzeugmotors an der Abgasabdeckung 34 eingesetzt und an der Abgasleitung des Fahrzeugmotors an dem Flansch 331 befestigt.
Wie in 6 gezeigt wird, bezieht der Sauerstoffsensor 3 mit der vorstehenden Struktur das Gassensorelement 2 ein, das die Referenzgasseitenelektrode 21 und die Messgasseitenelektrode 22 einschließt, die in beiden Seiten des Festelektrolytkörpers 20 vorgesehen sind, welcher ein Sauerstoffionenleiter ist, um eine elektrochemische Zelle zu bilden, wobei die Messgasseitenelektrode 22 zu dem Abgas hin freiliegt und die Referenzgasseitenelektrode 21 zu der atmosphärischen Luft hin freiliegt, um ein Luft-Brennstoff-Verhältnis aus einer Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden zu erfassen, welche durch einen Sauerstoffkonzentrations-Unterschied der Atmosphäre hervorgerufen wird, zu welcher diese ausgesetzt sind.
Als Nächstes wird eine Erläuterung zum Herstellungsverfahren für das Gassensorelement 2 dieser Ausführungsform gegeben.
In dieser Ausführungsform wird das Gassensorelement durch Ausführen des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des ersten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts, des zweiten Nanoschlicker- Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritts, des Backschritts, des elektrodenbildenden Schritts und des isolierenden Keramikkörper-Formschritts hergestellt.
Zunächst werden 98 Gewichtsteile teilstabilisiertes Zirkoniumoxid und eine geeignete Menge Lösungsmittel gemischt, um den leitfähigen Keramikschlicker zu erhalten. Ferner wurden 2 Gewichtsteile Nanoteilchen 28 (Teilchendurchmesser 10 bis 50 nm) aus Aluminiumoxid und eine geeignete Menge Lösungsmittel gemischt, um den ersten Nanoteilchenschlicker zu erhalten.
Nachfolgend wurden der ionenleitfähige Keramikschlicker und der erste Nanoteilchenschlicker gemischt, um den ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker zu präparieren. In diesem ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker sind die ionenleitfähige Keramik und die ersten Nanoteilchen in dem Lösungsmittel dispergiert. Dieser ionenleitfähige Verbundmaterialschlicker wurde in einer Kelchform geformt und gebacken, um den Festelektrolytkörper 20 herzustellen. Als Nächstes wurde Platin auf der Innenoberfläche und der Außenoberfläche des Festelektrolytkörpers 20 durch elektroloses Plattieren abgeschieden und dies wurde wärmebehandelt, um die Referenzgasseitenelektrode 21 und die Messgasseitenelektrode 22 zu bilden.
Nachfolgend wurde die poröse Schutzschicht 23 durch Plasmaspritzen so gebildet, dass sie die Oberfläche der Messgasseitenelektrode 22 etc. bedeckt. Die poröse Schutzschicht 23 wurde unter Verwendung des isolierenden Verbundmaterialschlickers geformt, in welchem die Nanoteilchen 29 mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, welche aus MgO·Al₂O₃ Spinell besteht. Der isolierende Verbundmaterialschlicker wurde durch Mischen von isolierendem Keramikschlicker, in welchem 99 Gewichtsteile isolierender Keramik (MgO·Al₂O₃ Spinell) in einer geeigneten Menge von Lösungsmittel dispergiert sind, und des zweiten Nanoteilchenschlickers, in welchem 1 Gewichtsteil Nanoteilchen in einer geeigneten Menge Lösungsmittel dispergiert ist, präpariert. Ferner wurden, wie in Ausführungsform 1, kommerziell erhältliche Zirkoniumoxid-Nanoteilchen (Teilchendurchmesser etwa 10 bis 50 nm) als die Nanoteilchen 29 verwendet.
Ferner wurde der isolierende Verbundmaterialschlicker durch Eintauchen oder Spritzen so angehaftet, dass er die poröse Schutzschicht 23 bedeckt, und nach dem Trocknen wurde er in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei 500°C bis 900°C gebacken, um die poröse Schutzschicht 24 zu bilden.
Durch solche Verfahren wurde das Gassensorelement 2 dieser Ausführungsform erhalten.
Ferner wurde in dieser Ausführungsform die Herstellung jedes Schlickers durch das Rühr-Dispersions-Verfahren unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Schermischers mit einem Rührtank einschließlich eines geschlossenen druckdichten Behälters und Rührdrehschiebern ausgeführt.
Wie in 8 und 9 gezeigt wird, schließt der Hochgeschwindigkeits-Schermischer 5 einen Rührtank 51 einschließlich eines geschlossenen druckdichten Behälters 514 und Drehschiebern 531 ein, die drehbar an seinem inneren drehbaren Schaft 512 befestigt sind.
Wie in 9 gezeigt wird, ist der geschlossene druckdichte Behälter 514 mit einem Flusskanaleinlass 515 und einem Flusskanalauslass 516, der als Weg zu diesem geschlossenen druckdichten Behälter 514 dient, gebildet.
Wie ferner in 8 und 9 gezeigt wird, ist der Drehschaft 512 konzentrisch mit dem geschlossenen druckdichten Behälter 514 angeordnet und ein Ende des Drehschaftes 512 ist mit einem Hochgeschwindigkeitsmotor 511 außerhalb des geschlossenen druckdichten Behälters gekoppelt. Ferner sind die Drehschieber 513 etwas kleiner im Durchmesser als der Innendurchmesser des geschlossenen druckdichten Behälters 514 angefertigt. In 8 und 9 ist der Zwischenraum zwischen den Drehschiebern 512 und dem geschlossenen druckdichten Behälter relativ groß angezeigt, um das Verständnis zu erleichtern. In Wirklichkeit ist dieser Zwischenraum jedoch etwa 2 mm.
Wie ferner in 8 gezeigt wird, schließt der Hochgeschwindigkeits-Schermischer 5 ferner einen Vorratstank 52 und ein Pumpgerät 53 ein. Der Rührtank 51, der Vorratstank 52 und das Pumpgerät 53 sind miteinander durch Leitern a1 bis a4 gekoppelt.
Wie ferner in 9 gezeigt wird, schließt der Hochgeschwindigkeits-Schermischer 5 einen Kühlabschnitt 54 an der äußeren Oberfläche des geschlossenen druckdichten Behälters 514 ein. Durch Leiten von Kühlwasser b1, b2 durch diesen Kühlabschnitt 54 ist es möglich, das Innere des geschlossenen druckdichten Behälters 514 vor hoher Temperatur zu bewahren.
Wenn der Schlicker unter Druck zu dem Hochgeschwindigkeits-Schermischer 5 zugeführt wird, zirkuliert dieser Schlicker zwischen dem geschlossenen druckdichten Behälter 514, dem Vorratstank 52 und dem Pumpgerät 53, welche durch die Flusskanäle a1 bis a4 gekoppelt sind. Der Schlicker dreht sich durch Empfangen der Energie der Drehschieber 513 und wird durch Zentrifugalkraft gegen die Innenoberfläche des geschlossenen druckdichten Behälters 514 gepresst. Dadurch steigt der Druck und der Schlicker dreht sich in einer Form des Dünnfilmhohlzylinders. Die Drehung des Schlickers tritt nicht nur an Abschnitten auf, welche die Drehschieber 513 kontaktieren, sondern ebenso an Abschnitten entfernt von den Drehschiebern 513, welche durch die Bewegung des Schlickers angeregt werden, der durch die Drehschieber 513 gedreht wird. Wenn ferner Luft in dem geschlossenen druckdichten Behälter 514 vorhanden ist, wird die Drehung auf den Schlicker durch die Drehung der Luft übertragen. Die Drehgeschwindigkeit der Drehschieber 513 ist schneller als die Drehgeschwindigkeit des Schlickers und der in der Umgebung eines Endabschnittes der Drehschieber 513 vorhandene Schlicker wird vollständig durch die Drehschieber gerührt, weil der Zwischenraum zwischen dem geschlossenen druckdichten Behälter 514 und den Drehschiebern klein ist. Weil dies hochgradig miniaturisiert ist, treten Aktionen der Dispersion, Mischung, Emulgierung etc. auf.
Ferner erfährt der in der Innenseite oder der Außenseite der Rotationsebene der Drehschieber 513 vorhandene Schlicker die Aktionen der Dispersion, Mischung, Emulgierung etc. ebenso durch den Geschwindigkeitsunterschied aufgrund der Trägheit des Schlickers selbst, der Erzeugung von Wirbelflüssen etc.
Auf diesem Weg wird der Schlicker dispergiert und gemischt, während er zwischen dem geschlossenen druckdichten Behälter 514, dem Vorratstank 52 und dem Pumpgerät 53 zirkuliert wird und als ein Ergebnis kann ein gleichmäßig dispergierter und gemischter Schlicker erhalten werden. Im Übrigen wird, mit Ausnahme des vorstehenden, der Schlicker durch die ähnlichen Aktionen wie in Ausführungsform 1 gleichmäßig dispergiert.
In dem Hochgeschwindigkeits-Schermischer 5 dieser Ausführungsform wird jedem Schlicker unter Hochdruck mit Druck zugeführt, um einen Hochgeschwindigkeitsfluss zu bilden, und durch diesen Hochgeschwindigkeitsfluss wird eine Schockwelle erzeugt. Durch diese Schockwelle werden ausgeflockte Anteile der Nanoteilchen, der Teilchen der ionenleitfähigen Keramik und der Teilchen der isolierenden Keramik in dem Schlicker gebrochen und zu einem hauptsächlichen Teilchenzustand dispergiert, um dadurch einen gleichmäßigen Schlicker zu erhalten.
Jeder Schlicker dieser Ausführungsform wurde wie vorstehend beschrieben präpariert.
Wie in 6 gezeigt wird, sind in dem Gassensorelement 2 dieser Ausführungsform die porösen Schutzschichten 23, 24 aus dem isolierenden Verbundmaterial angefertigt, wie in dem Fall der Ausführungsform 1. Das heißt, in den porösen Schutzschichten 23, 24 sind die Nanoteilchen 29 in der Hauptkomponente dispergiert, die aus isolierender Keramik (Al₂O₃·MgO) besteht.
Ferner ist in dem Gassensorelement 2 der Festelektrolytkörper 20 aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt. Das heißt, in dem Festelektrolytkörper 20 sind die Nanoteilchen 28 in einer Hauptkomponente dispergiert, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht (teilstabilisiertes Zirkoniumoxid).
Demzufolge können die porösen Schutzschichten 23, 24 und der Festelektrolytkörper 20 exzellente Festigkeit zeigen.
Ferner kontaktieren in dem Gassensorelement 2 die porösen Schutzschichten 23, 24 leicht das Abgas. Demzufolge werden die porösen Schutzschichten 23, 24 leicht durch die in dem Abgas enthaltende Feuchtigkeit geflutet. Als ein Ergebnis kann eine große Spannung in den porösen Schutzschichten 23, 24 auftreten.
Ferner kontaktiert der Festelektrolytkörper 20 leicht das Abgas, das durch die porösen Schutzschichten 23, 24 gelaufen ist. Demzufolge wird der Festelektrolytkörper 20 leicht mit der in dem Abgas enthaltenen Feuchtigkeit geflutet, wenn eine schnelle Temperaturänderung des Gassensorelementes 2 auftritt. Als ein Ergebnis kann eine große Spannung in dem Festelektrolytkörper 20 auftreten.
In dieser Ausführungsform ist, wie vorstehend beschrieben wurde, da die porösen Schutzschichten 23, 24 aus dem isolierenden Verbundmaterial angefertigt sind, und der Festelektrolytkörper 20 aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial angefertigt ist, es möglich, exzellente Festigkeit zu zeigen. Demzufolge zeigen, wie vorstehend beschrieben wurde, der Festelektrolytkörper 20 und die porösen Schutzschichten 23, 24 exzellenten Widerstand gegenüber Spannung, wenn sie mit einer Spannung aufgrund des Flutens beaufschlagt werden, was es möglich macht, Zerbrechen etc. am Auftreten zu verhindern.
Experimentbeispiel
Dieses Beispiel ist ein Beispiel, in welchem ein Isolator aus isolierendem Verbundmaterial ähnlich der Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 hergestellt wird und seine Festigkeit überprüft wird.
Der Isolator dieser Ausführungsform ist aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt, in welchem Nanoteilchen in einer aus Aluminiumoxid bestehenden Hauptkomponente dispergiert sind. In diesem Beispiel wurde eine Mehrzahl von Isolatoren mit verschiedenen Mischungsverhältnissen von Nanoteilchen hergestellt und Festigkeiten von diesen Isolatoren werden verglichen und ausgewertet.
Zunächst werden die Isolatoren hergestellt.
Um präziser zu sein, wurden zunächst kommerziell erhältliche Zirkoniumoxid-Nanoteilchen (Teilchendurchmesser etwa 10 bis 50 nm) präpariert. Nachfolgend wurden die Nanoteilchen und Aluminiumoxid auf 100 g gesamt in den in Tabelle 1 gezeigten Verhältnissen gewogen und ionenausgetauschtes Wasser wurde auf 150 g gewogen und in einen 2 l Topf gegeben, gefolgt von Mischen für drei Stunden in einer Kugelmühle. Danach wurde die Mischung in einer Abdampfschale bei 150°C für etwa 20 Stunden getrocknet.
Nach dem Trocknen und dem Brechen in einem Mörser wurde 10% PVA-(Polyvinylalkohol) Lösung mit 5 Gew.-% bezüglich des Pulvergewichts gesprüht, um Sprühgranulation auszuführen. Als Nächstes wurden die sprühgranulierten Teilchen durch ein Sieb mit #50–#100 Mesh gegeben und in eine plattenähnliche Form mit einer Dicke von 3,5 bis 3,8 mm durch eine Metallform pressgeformt. Der Formdruck beim Formen wurde auf 60 MPa festgesetzt.
Nachfolgend wurde ein plattenähnliches Formteil gebacken und beide Endabschnitte des gesinterten Formteils wurden abgeschnitten. Danach wurde ein Isolator mit einer Dicke von 3 mm, einer Breite von 4 mm und einer Länge von 50 mm hergestellt.
In diesem Beispiel wurden 12 Arten von Isolatoren (Proben E1 bis E9 und Proben C2 bis C4) durch Verändern der Mischungsverhältnisse des Aluminiumoxids und der Nanoteilchen auf dem gleichen Weg wie vorstehend für die anderen hergestellt.
Probe E1 wurde wie vorstehend durch Festsetzen der Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 99,9 g und Festsetzen der Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 0,1 g hergestellt.
Probe E2 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 99,8 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 0,2 g festgesetzt wurde.
Probe E3 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 99,5 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 0,5 g festgesetzt wurde.
Probe E4 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 99 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 1 g festgesetzt wurde.
Probe E5 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 98 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 2 g festgesetzt wurde.
Probe E6 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 95 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 5 g festgesetzt wurde.
Probe E7 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 90 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 10 g festgesetzt wurde.
Probe E8 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 85 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 15 g festgesetzt wurde.
Probe E9 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 80 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 20 g festgesetzt wurde.
Probe C2 als eine Vergleichsprobe wurde in der gleichen Art und Weise wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 99,95 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 0,05 g festgesetzt wurde.
Probe C3 als eine Vergleichsprobe wurde in der gleichen Art und Weise wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 70 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 30 g festgesetzt wurde.
Probe C4 als eine Vergleichsprobe wurde in der gleichen Art und Weise wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 50 g festgesetzt wurde und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 50 g festgesetzt wurde.
Ferner wurde in diesem Beispiel ein Isolator aus Aluminiumoxid, das keine Nanoteilchen enthielt, zur Vergleichsverwendung hergestellt. Dies wird als Probe C1 bezeichnet.
Probe C1 wurde auf dem gleichen Weg wie Probe E1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Mischungsmenge von Aluminiumoxid auf 100 g festgesetzt wurde, und die Mischungsmenge der Nanoteilchen auf 0 g festgesetzt wurde.
Als Nächstes wurden die Biegebruchfestigkeit und der thermische Ausdehnungskoeffizient für jede der Proben E1 bis E9 und Proben C1 bis C4 gemessen.
Biegebruchfestigkeit
Wie in 10 gezeigt wird, wurde die Biegebruchfestigkeit durch eine Druckmaschine mit einer Lastzelle gemessen.
Zunächst wurde, wie in dieser Figur gezeigt wird, der Isolator 7 jeder Probe (Probe E1 bis Probe E9, und Proben C1 bis C4) zwischen einem oberen Drücker 61 und einem unteren Drücker 62 der Drucksmaschine gehalten. Nachfolgend wurde eine Last auf den Isolator 7 durch Verengen des Intervalls zwischen dem oberen Drücker 61 und dem unteren Drücker 62 angelegt und die Last P, wenn der Isolator 7 gebrochen wurde, wurde gemessen.
Im Übrigen ist der untere Drücker 62 mit zwei Vorsprüngen 625 versehen, die voneinander durch ein Intervall von L1 mm beabstandet sind, und der obere Drücker 61 ist mit zwei Vorsprüngen 615 versehen, die voneinander durch ein Intervall von L2 mm beabstandet sind. Der Isolator 7 wird so platziert, dass die Mitte der Längsrichtung (Längenrichtung) in die Mitte des Abstandes zwischen den Vorsprüngen 625 des unteren Drückers 62 und zu der Mitte des Abstandes zwischen den Vorsprüngen 615 des oberen Drückers 61 kommt.
Die Biegebruchfestigkeit S kann aus der Last P beim Bruch, dem Abstand L1 zwischen den Vorsprüngen des unteren Drückers, dem Abstand L2 zwischen den Vorsprüngen des oberen Drückers, der Breite der Probe und der Dicke t der Probe in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (1) berechnet werden.
Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. S = 3P(L1 – L2)/2Wt2 (1)
Im Übrigen ist L1 = 24 (mm), L2 = 10 (mm), W = 4 mm und t = 3 mm.
Thermischer Ausdehnungskoeffizient
Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 900°C unter Verwendung des THERMOMECHANICAL ANALYZER (TMA-50) von Shimadzu Corp. gemessen.
Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 ersehen wird, kann verstanden werden, dass die Isolatoren, in welchen die Nanoteilchen moderat dispergiert sind (Probe E1 bis Probe E9) hohe Biegebruchfestigkeit verglichen zu dem Isolator zeigen, der keine Nanoteilchen (Probe C1) enthält, und den Isolatoren, deren Nanoteilchengehalt außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegt (Proben C2 bis C4).
Wenn ferner eine Spannung, die in dem Gassensorelement aufgrund des Flutens in einem am Fahrzeug montierten Zustand erhalten wird, das Gassensorelement durch Simulation erhalten wird, tritt eine Spannung bis zu 350 MPa in einer Bedingung der Elementtemperatur von 300°C auf (siehe 11).
Alle Isolatoren der Probe E1 bis Probe E9, die in diesem Beispiel hergestellt wurden, können große Festigkeit über 350 MPa zeigen. Folglich kann verstanden werden, dass Probe E1 bis Probe E9 für einen Isolator eines an einem Fahrzeug montierten Gassensorelements geeignet sind.
Ferner zeigten Probe E1 bis Probe E9 thermische Ausdehnungskoeffizienten, welche etwa gleich mit Probe C1 aus Aluminiumoxid sind (siehe Tabelle 1). Der Isolator aus Aluminiumoxid (Probe C1) wird breit gefächert als ein Isolator eines herkömmlichen Gassensorelements verwendet und Probe E1 bis Probe E9, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten etwa gleich dieser Probe E1 sind, können leicht auf das Gassensorelement angewendet werden, ohne groß die Struktur des Gassensorelements zu verändern.
Ausführungsform 3
Diese Ausführungsform betrifft ein Gassensorelement 3, in welchem die Struktur der in 1–3 gezeigten Ausführungsform 1, die im Vorhergehenden beschrieben wurde, teilweise modifiziert ist. Um präziser zu sein wird eine solche Struktur angepasst, dass die Isolierschicht 163, der Isolator 191, die Haftschicht 162 und die isolierende Druckschichten 200 und 201 hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehen und andere Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 164, 165 und der Festelektrolytkörper 11 hauptsächlich aus Zirkoniumoxid bestehen.
Das heißt, das Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform schließt den Festelektrolytkörper 11, die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 163, 161, 164, 165, das Paar von Elektroden 121, 131, das so geformt sind, dass der Festelektrolytkörper 11 dazwischen gehalten wird, und einen Heizer 19 ein. Der Festelektrolytkörper 11 ist aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid angefertigt. Ferner sind die Isolatoren 195, 163, 161, 162 aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik mit elektrischer Isolierfähigkeit besteht.
Ferner sind in dieser Ausführungsform die isolierenden Druckschichten 200, 201 auf der Seite des Wärme erzeugenden Elements 181 und des Leiterabschnitts 182 des Isolators 191, 197 gebildet. Die isolierenden Druckschichten 200, 201 sind ebenso Isolatoren und sind aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus einer isolierenden Keramik mit elektrischer Isolierfähigkeit besteht.
In dieser Ausführungsform ist das Paar von Elektroden 121, 131 jeweils die Messgasseitenelektrode 121, welche der Messgasatmosphäre zugewandt ist, und die Referenzelektrode 131, welche der Referenzgasatmosphäre zugewandt ist. Der Festelektrolytkörper 11 wird mit dem gasdurchlässigen Isolator (Diffusionsschicht) 141 laminiert, welcher die Messgasseitenelektrode 121 bedeckt, und die Diffusionsschicht 141 wird mit dem gasundurchlässigen Isolator (Abschirmschicht) 142 laminiert. Obwohl diese Ausführungsform ferner eine Ausführungsform eines Einzellentyp-A/F-Sensors einschließlich des Paares von Elektroden 121, 131 ist, das so geformt ist, dass der Festelektrolytkörper 11 dazwischen gehalten wird, kann dieser auf einen Zweizellentyp-A/F-Sensor einschließlich eines anderen Paares von Elektroden angewendet werden, das so geformt ist, dass ein Festelektrolytkörper dazwischen gehalten wird. Darüber hinaus kann er nicht nur auf A/F-Sensoren sondern auch auf O₂-Sensoren, NO_x-Sensoren etc. angewendet werden.
Im Folgenden wird eine Erläuterung im Detail vorgenommen.
Das Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform wird einbezogen in einen Gassensor verwendet, der in einem Abgassystem eines Fahrzeugmotors montiert ist. Dieser Gassensor misst die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas und erfasst das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Motors aus einem gemessenen Wert, wobei das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur Verbrennungssteuerung des Motors verwendet wird.
Wie in 12 gezeigt wird und in 2, 3 im Vorhergehenden beschrieben wurde, ist das Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform durch Laminieren der Referenzgaskammer-Bildungsplatte (Isolator) 15, des Festelektrolytkörpers 11, der Diffusionsschicht 141 und der Abschirmschicht 142 strukturiert.
Die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 schließt einen Nutenabschnitt 150 mit einem U-förmigen Querschnitt ein, welcher als eine Referenzgaskammer dient, in welche ein Referenzgas eingeführt wird.
Der Festelektrolytkörper 11, welcher die Messgasseitenelektrode 121 und die Referenzelektrode 131 einschließt, ist mit Leiterabschnitten 122, 132 versehen, welche elektrisch zu diesen Elektroden 121, 131 verbinden.
Ferner ist die Diffusionsschicht 141 so laminiert, dass sie die Messgasseitenelektrode 121 bedeckt, und die Abschirmschicht 142 ist so laminiert, dass sie die Diffusionsschicht 141 bedeckt.
Ferner ist das Gassensorelement dieser Ausführungsform integral mit dem Keramikheizer 19 an einer Oberfläche der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 gegenüber dem Festelektrolytkörper 11 versehen.
Der Keramikheizer 19 ist durch eine Heizerlage 191, ein in der Heizerlage 191 vorgesehenes Wärme erzeugendes Element 181, einem Energie zu dem Wärme erzeugenden Element 181 zuführenden Leiterabschnitt 182 und zwei Heizerisolierplatten 195, 197, die so laminiert sind, dass sie das Wärme erzeugende Element 181 bedecken, aufgebaut.
Die Heizerisolierplatte 195 hat einen Fensterabschnitt 196. Dieser Fensterabschnitt 196, welcher die gleiche Form wie das Wärme erzeugende Element 181 und der Leiterabschnitt 182 hat, um dazu fähig zu sein, beide einzubauen, ist bereitgestellt, um die Unebenheit zu glätten, wenn das Wärme erzeugende Element 181 und der Leiterabschnitt 182 zwischen die Heizerlage 191 und die Heizerisolierplatte 197 gelegt wird.
Ferner verbindet der Leiterabschnitt 182 elektrisch zu einem Anschluss 183 durch ein durchgehendes Loch 190, das in der Heizerlage 191 bereitgestellt ist.
Zwischen der Heizerisolierplatte 197 und der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, zwischen der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 und dem Festelektrolytkörper 11 und zwischen der Diffusionsschicht 141 und der Abschirmschicht 142 sind jeweils Haftschichten 161, 162, 165 zwischengelegt. Ferner sind die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 164 zwischen den Festelektrolytkörper 11 und die Diffusionsschicht 14 zwischengelegt.
Die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, die Diffusionsschicht 141, die Heizerlage 191, die Heizerisolierplatten 195, 197 und die Haftschichten 161, 164, 165 sind alle Isolatoren und diese Isolatoren bestehen hauptsächlich aus Zirkoniumoxid als isolierende Keramik.
Ferner besteht die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 162 hauptsächlich aus Aluminiumoxid als isolierende Keramik.
Ferner ist die Porosität der Diffusionsschicht 141 14%.
In jedem der Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 164, 165 sind Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit etwa 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert, die aus jeder isolierenden Keramik (Zirkoniumoxid) besteht. Im Übrigen wurden in jedem der Isolatoren kommerziell erhältliche Aluminiumoxid-Nanoteilchen (Teilchendurchmesser etwa 10 bis 50 nm) als Nanoteilchen 10 verwendet.
Ferner werden in der Haftschicht 162 und der Isolierschicht 163 als Isolatoren die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit etwa 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert, die aus isolierender Keramik (Aluminiumoxid) bestand. Im Übrigen wurden kommerziell erhältliche Zirkoniumoxid-Nanoteilchen (Teilchendurchmesser etwa 10–50 nm) als die Nanoteilchen 10 in der Haftschicht 162 und der Isolierschicht 163 verwendet.
Ferner ist der Festelektrolytkörper 11 aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt, in welchem Yttriumoxid mit 6 Mol-% zu Zirkoniumoxid zugegeben ist.
Der Festelektrolytkörper 11 schließt die Referenzelektrode 131, welche dem Nutenabschnitt 150 zugewandt ist, der als die Referenzgaskammer dient, ein und die Haftschicht 162 schließt ein Fenster 139 an einer Position ein, die der Referenzelektrode 131 zugewandt ist.
Ferner verbindet die Referenzelektrode 131 elektrisch zu einem Anschluss 136 durch den Leiterabschnitt 132, einem inneren Anschluss 133, ein leitfähiges durchgehendes Loch 134, das in dem Festelektrolytkörper 11 vorgesehen ist, und ein leitfähiges durchgehendes Loch 135, das in der Isolierschicht 136 vorgesehen ist.
Die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 164 schließen Fenster 128, 129 an Positionen ein, die der Messgasseitenelektrode 121 zugewandt sind. Ferner verbindet die Messgasseitenelektrode 121 elektrisch zu einem Anschluss 123 durch den Leiterabschnitt 122.
Der Ausgang des Gassensorelements 3 kann durch die Anschlüsse 123, 136 erhalten werden.
Wie ferner in 3 gezeigt wird, dienen die Fenster 128, 129, die in der Isolierschicht 163 und der Haftschicht 164 vorgesehen sind, als kleine Kammer 127, welche die Messgasseitenelektrode 121 durch Lamination einhaust. Ein Messgas wird zu dieser kleinen Kammer 127 durch die Diffusionsschicht 141 zugeführt.
Als Nächstes wird eine Erläuterung über ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 3 dieser Ausführungsform gegeben.
In dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform wird ein Gassensorelement durch Ausführen des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Keramik-Formschritts, des isolierenden Verbundmaterial-Formschritts, des Elektrodendruckabschnitt-Formschritts und des Backschritts hergestellt.
Um präziser zu sein wird eine Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 durch das Doktor-Blade-Verfahren oder das Extrusionsformverfahren hergestellt. Nachfolgend werden Druckabschnitte zum Formen der Messgasseitenelektrode 121, der Referenzelektrode 131, des Leiterabschnitts 132 und des inneren Anschlusses 133 in dieser Grünfolie bereitgestellt. Im Übrigen wird die Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 im Vorhinein mit dem durchgehenden Loch 134 versehen.
Ein ungebackenes Formteil für die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 wird durch Spritzgießen, Schneidfabrikation, Pressformen, Laminationsfabrikation von Grünfolien etc. angefertigt. Ferner werden Grünfolien für die Heizerlage 191, die Abschirmschicht 142 und die Diffusionsschicht 141 durch das Doktor-Blade-Verfahren, das Extrusionsformverfahren etc. angefertigt.
Ferner können die Abschirmschicht 142 und die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker angefertigt sein.
Ferner ist die Grünfolie für die Heizerlage 191 mit einem Druckabschnitt für das Wärme erzeugende Element 181 etc. versehen. Das durchgehende Loch 190 wird ebenso im Vorhinein vorgesehen.
Ferner wird für die verschiedenen Haftschichten 161, 162, 164, 165 und die Isolierschicht 163 ein Schlicker für die Haftschicht oder die Isolierschicht hergestellt und auf die Grünfolien gedruckt. Diese mit den Fenstern 129, 139, 128 werden durch Siebdruck unter Verwendung eines Schlickers gebildet und die Heizerisolierplatten 195, 197 werden auch durch Verwendung eines Schlickers durch Siebdruck geformt.
Ferner werden die Isolierdruckschichten 200, 201 auf der Seite des Wärme erzeugenden Elements 181 und des Leiterabschnitts 182 der Isolatoren 191, 197 geformt.
Ferner ist die Grünfolie für den Festelektrolytkörper 11 mit Druckabschnitten zum Formen der Messgasseitenelektrode 121, des Leiterabschnittes 122 und der Anschlüsse 136 und 123 versehen, nachdem auf diesen Schlicker für die Isolierschicht 163 aufgetragen wurde.
Ferner kann in dem Fall, dass mindestens die Abschirmschicht 142 und/oder die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker angefertigt ist, die Haftschicht 165 eliminiert werden. Ferner kann in dem Fall, in dem die Diffusionsschicht 141 aus Schlicker hergestellt ist, diese auf die Haftschicht 164 übergelegt werden. Das heißt, es ist möglich, die Haftschicht 164 integral mit der Diffusionsschicht 141 zu bilden.
Im Übrigen wurden die Grünfolien oder Schlicker zum Formen der Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, der Diffusionsschicht 141, der Abschirmschicht 142, der Heizerlage 191, der Heizerisolierplatten 195, 197 und der Haftschichten 161, 164, 165 durch Zugeben von Lösungsmittel wie Alkohol wie Ethanol, 2-Butanol etc., Essigsäureisoamylalkohol, Sorbitantrioleat (SPN), Polyvinylbutyrat (PVB), Benzylbutylphthalat (BBP) zu einem isolierenden Verbundmaterial, in welchem die Nanoteilchen (Aluminiumoxid-Nanoteilchen) 10 mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die durch die isolierende Keramik (Zirkoniumoxid) besteht, angefertigt. Die Grünfolien wurden durch Formen von Schlicker (isolierender Verbundmaterialschlicker), in welchem die isolierende Keramik und Nanoteilchen 10 in einem Lösungsmittel dispergiert sind, angefertigt. Der isolierende Verbundmaterialschlicker wurde durch Mischen des isolierenden Keramikschlickers, der durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, und des Nanoteilchenschlickers, der durch Dispergieren der Nanoteilchen in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, präpariert.
Ferner wurde der Druckschlicker zum Formen der Isolierschicht 163 und der Haftschicht 162 durch Zugeben von Lösungsmittel wie Alkohol wie Ethanol, 2-Butanol etc., Essigsäureisoamylalkohol, Sorbitantrioleat (SPN), Polyvinylbutyrat (PVB), Benzylbutylphthalat (BBP) in ein isolierendes Verbundmaterial, in welchem die Nanoteilchen (Zirkoniumoxid-Nanoteilchen) 10 mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik (Aluminiumoxid) hergestellt ist, angefertigt.
Der isolierende Verbundmaterialschlicker in diesem Fall wurde durch Mischen von isolierendem Keramikschlicker, der durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, und Nanoteilchenschlicker, der durch Dispergieren von Nanoteilchen in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, präpariert.
Ferner wurde der Druckschlicker zum Bilden der isolierenden Druckschichten 200, 201 durch Zugeben von Lösungsmittel wie Alkohol wie Ethanol, 2-Butanol etc., Essigsäureisoamylalkohol, Sorbitantrioleat (SPN), Polyvinylbutyrat (PVB), Benzylbutylphthalat (BBP) in isolierendes Verbundmaterial, in welchem die Nanoteilchen (Zirkoniumoxid-Nanoteilchen) 10 mit 2 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik (Aluminiumoxid) hergestellt wurde, angefertigt.
Der isolierende Verbundmaterialschlicker in diesem Fall wurde durch Mischen von isolierendem Keramikschlicker, der durch Dispergieren von isolierender Keramik in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, und Nanoteilchenschlicker, der durch Dispergieren von Nanoteilchen in einem Lösungsmittel angefertigt wurde, präpariert.
Ferner wurde die Grünfolie für den Festelektrolytkörper durch Präparieren eines Schlickers (ionenleitfähiger Keramikschlicker) durch Dispergieren in dem Lösungsmittel von ionenleitfähiger Keramik, die durch teilstabilisiertes Zirkoniumoxid angefertigt wurde, in welchem Yttriumoxid mit 6 Mol-% zu Zirkoniumoxid zugegeben wurde, und durch Formen dieses Schlickers angefertigt.
Ferner wurde die Präparation jedes Schlickers durch das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung des Hochdruck-Dispersionsgeräts (Hochdruck-Homogenisierer) ausgeführt.
Wie in 4 und 5 gezeigt wird, schließt das Hochdruck-Dispersionsgerät 4 den Misch-Dispersions-Abschnitt 42, in welchem die bewegliche Öffnung 44 so bereitgestellt ist, dass sie sich auf- und abbewegt, ein. Der Misch-Dispersions-Abschnitt 42 ist mit einem Vorratstank 43 durch Leitern e1, e2, e3 verbunden. Ferner ist das Hochdruck-Dispersionsgerät 4 mit einer Hochdruckpumpe 41 zum Betreiben der beweglichen Öffnung 44 versehen. Die Hochdruckpumpe 41 und die bewegliche Öffnung 44 werden durch komprimierte Luft betrieben, die durch die Pfeile d1, d2 gezeigt wird.
In dem Hochdruck-Dispersions-Verfahren wird jeder Schlicker von der Leitung e1 des Hochdruck-Dispersionsgeräts 4 eingeführt. Der eingeführte Schlicker wird unter Druck zu dem Misch-Dispersions-Abschnitt 42 zugeführt und kollidiert mit einem vorderen Ende (Kollisionsabschnitt 440) der beweglichen Öffnung 44 unter hohem Druck (200 MPa). Zu diesem Zeitpunkt bildet der Schlicker einen Hochgeschwindigkeitsfluss und ausgeflockte Anteile in dem Schlicker werden durch den Schock, der durch diesen Hochgeschwindigkeitsfluss gebildet wird, zerbrochen, was es diesen ermöglicht, in einem hauptsächlichen Teilchenzustand dispergiert zu werden. Ferner wird zu dem Zeitpunkt des Hochdruckzuführens mechanische Scherkraft auf den Schlicker aufgebracht und eine gleichmäßigere Dispersion kann durch diese Scherkraft vorangetrieben werden.
Nach der Kollision mit dem Kollisionsabschnitt 440 fließt der Schlicker auseinander, fließt aus den Ausgängen 421, 422 heraus, fließt in der Leitung e3 zusammen und kehrt in den Vorratstank 43 zurück. Es ist möglich, den Schlicker erneut von dem Vorratstank 43 zu dem Misch- Dispersions-Abschnitt 42 durch die Leitern e1 und e2 zu zirkulieren.
Jede der wie vorstehend angefertigten Grünfolien wurde in der in 1 gezeigten Anordnung laminiert und gepresst und als eine Folge hafteten sie gegenseitig durch die Haftung (Klebefähigkeit) der Haftschichten 161, 162, 164, 165 aneinander und ein ungebackener laminierter Körper wurde erhalten. Dieser ungebackene laminierte Körper wurde durch Aufheizen auf 1470°C gebacken.
Danach wurde durch Abkühlen von 1470°C auf Raumtemperatur das Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform erhalten.
Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform werden erläutert.
In dem Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform sind die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15, die Diffusionsschicht 141, die Abschirmschicht 142, die Heizerlage 191, die Heizerisolierplatten 195, 197 und die Haftschichten 161, 164, 165 Isolatoren, die aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt sind. Das heißt, der Isolator besteht hauptsächlich aus Zirkoniumoxid, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm dispergiert sind.
Ferner sind die Isolierschicht 163 und die Haftschicht 162 Isolatoren, die aus isolierendem Verbundmaterial hergestellt sind. Das heißt, der Isolator besteht hauptsächlich aus Aluminiumoxid, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm dispergiert sind.
Ferner bestehen die Isolierdruckschichten 200, 201 hauptsächlich aus Aluminiumoxid, in welchem die Nanoteilchen 10 mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm dispergiert sind.
Demzufolge können die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165, 200, 201 großer Spannung widerstehen, die zum Beispiel 350 MPa übersteigt, und können exzellente Festigkeit zeigen. Selbst wenn folglich das Gassensorelement geflutet wird und große Spannungen in den Isolatoren auftreten, ist es möglich, die Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165, 200, 201 vom Brechen zu bewahren. Demzufolge ist es möglich, zu unterdrücken, dass die Genauigkeit der Messung der Konzentration von verschiedenen Arten von Gas durch das Gassensorelement 3 verloren geht.
Insbesondere fertigt in dem Gassensorelement 3 dieser Ausführungsform das isolierende Verbundmaterial die Isolierschicht 163, die Haftschichten 164, 165, die Diffusionsschicht 141 und die Abschirmschicht 142, welche während des Betriebes direkt ein Gas wie ein Abgas kontaktiert, die Referenzgaskammer-Bildungsplatte 15 und die Haftschicht 142, welche das Referenzgas kontaktieren, und die Heizerlage 191 und die Heizerisolierplatten 195, 197 des Heizers 19, welche leicht eine Temperaturänderung erfahren und die externe atmosphärische Luft kontaktieren, an. Wenn demzufolge Abschnitte, in denen verschiedene Gase wie das Abgas, atmosphärische Luft und Referenzgas in Kontakt mit den verschiedenen Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 162, 163, 164, 165, 200, 201 geflutet werden und große Spannungen auftreten, ist es möglich, das Auftreten von Zerbrechen oder Bruch zu verhindern, da die verschiedenen Isolatoren exzellente Festigkeit zeigen, wie vorstehend beschrieben wurde.
Ferner sind in den verschiedenen Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 164, 165 die Nanoteilchen 10 mit 2 Gew.-% in der Hauptkomponente dispergiert, die aus Zirkoniumoxid aufgebaut ist. Folglich wird die Isolierfähigkeit der Isolatoren 15, 141, 142, 191, 195, 197, 161, 164, 165 ausreichend sichergestellt.
Ferner sind in den Isolatoren 162, 163, 200, 201 die Nanoteilchen 10 mit 2 Gew.-% in der Hauptkomponente dispergiert, die aus Aluminiumoxid aufgebaut ist. Folglich kann die Isolierfähigkeit der Isolatoren 162, 163, 200, 201 ausreichend sichergestellt werden.
Demzufolge kann das Gassensorelement 3 exzellente Festigkeit zeigen, während die Funktion als ein Gassensorelement sichergestellt wird. Wenn das Gassensorelement 3 mit großer Spannung beaufschlagt wird, kann der Auftritt von Bruch wie Zerbrechen etc. verhindert werden. Daher kann das Gassensorelement 3 korrekte Erfassung ausführen und ist exzellent in seiner Zuverlässigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Gassensorelement 1 beschrieben, welches einen Festelektrolytkörper 11, Isolatoren 15, 141, 142, 197, 161, 162, 163, 164, 165 und ein Elektrodenpaar 121, 131 einschließt, das so gebildet ist, dass der Festelektrolytkörper 11 dazwischen gehalten wird. Das Gassensorelement 1 erfüllt die folgenden Bedingung (a) und /oder Bedingung (b). (a) Der Festelektrolytkörper 11 ist aus ionenleitfähigem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit spezifischen Teilchendurchmessern in ionenleitfähiger Keramik dispergiert sind. (b) Die Isolatoren 15, 141, 197, 161, 162, 163, 164, 165 sind aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit spezifischen Teilchendurchmessern in isolierender Keramik dispergiert sind. Ferner wird ein Herstellungsverfahren eines Gassensorelements beschrieben, in welchem der Teilchendurchmesser und die Dispersionsmenge der Nanoteilchen, die in dem Festelektrolytkörper 11 und/ oder der isolierenden Keramik 11 dispergiert sind, gesteuert werden.

1: Gassensorelement
10: Nanoteilchen
11: Festelektrolytkörper
121: Elektrode (Messgasseitenelektrode)
131: Elektrode (Referenzelektrode)
141: Isolator (Diffusionsschicht)
15: Isolator (Referenzgaskammer-Bildungsplatte)

Claims

Gassensorelement, welches umfasst: einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, wobei das Gassensorelement mindestens eine der folgenden Bedingungen (a) und (b) erfüllt, (a) mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers ist aus ionenleitfähigem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der ionenleitfähigen Keramik besteht, (b) mindestens ein Teil des Isolators ist aus isolierendem Verbundmaterial angefertigt, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus der isolierenden Keramik besteht.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die ionenleitfähige Keramik aus teilstabilisiertem Zirkoniumoxid angefertigt ist, in welcher ein Stabilisator zu einer aus Zirkoniumoxid zusammengesetzten Hauptkomponente zugegeben ist und die isolierende Keramik aus Aluminiumoxid angefertigt ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanoteilchen aus einer oder mehreren Arten angefertigt sind, die aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid und dem Stabilisator ausgewählt sind.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens der Festelektrolytkörper, der an einer Position lokalisiert ist, um in Kontakt mit einem in das Gassensorelement eingeführten Gas oder atmosphärischer Luft zu sein, aus dem ionenleitfähigen Verbundmaterial hergestellt ist.
Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens der Isolator, der an einer Position lokalisiert ist, um in Kontakt mit einem in das Gassensorelement eingeführten Gas oder atmosphärischer Luft zu sein, aus dem isolierenden Verbundmaterial hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelementes, das einen Festelektrolytkörper aus ionenleitfähigem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1–20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so gebildet ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers; einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritts zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Keramik-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Keramik-Formteils durch Formen des isolierenden Keramikschlickers; und einen Backschritt zum Anfertigen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils und des isolierenden Keramik-Formteils.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus ionenleitfähigem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator, der hauptsächlich aus isolierender Keramik besteht und ein Elektrodenpaar, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren von ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers; einen Backschritt zum Anfertigen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils; einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Elektrodenpaars, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; und einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Keramikschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Keramikschlickers auf den Festelektrolytkörper.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 6 oder 7, wobei in jedem des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts ein Hochdruck-Dispersionsgerät, welches einen Flusskanal, der als ein Durchgang für jeden Schlicker dient, und einen Kollisionsabschnitt, der mittig in dem Flusskanal angeordnet ist, einschließt, um ein Hochdruck-Dispersions-Verfahren auszuführen, in dem jeder Schlicker mit Druck zu dem Flusskanal des Hochdruck-Dispersionsgeräts zugeführt wird, um die Dispersion jedes Schlickers, der mit dem Kollisionsabschnitt unter einem Druck von 10 bis 400 MPa kollidiert, hervorzurufen.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 8, wobei das Hochdruck-Dispersionsgerät einen Misch-Dispersions-Abschnitt einschließt, in welchem eine bewegliche Öffnung so vorgesehen ist, dass sie sich auf- und abbewegt, um das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung eines vorderen Endabschnitt der beweglichen Öffnung, der zu der Innenseite des Misch-Dispersions-Abschnitt hin freiliegt, als den Kollisionsabschnitt auszuführen.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 10, wobei in jedem des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts ein Rühr-Dispersions-Verfahren ausgeführt wird, in welchem jeder Schlicker dispergiert wird, während er gerührt wird, um mit Scherkraft beaufschlagt zu werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 10, wobei das Rühr-Dispersions-Verfahren durch Rühren jedes Schlickers in einem Rührtank, der einen geschlossenen druckdichten Behälters und auf einen drehbaren Schaft montierte Drehschieber, die in dem geschlossen druckdichten Behälter vorgesehen sind, einschließt, ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei eine oder mehrere Arten, die aus dem Nanoteilchenschlicker, dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker und dem isolierenden Keramikschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran dispergiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus einem isolierenden Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so geformt ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Keramikschlicker-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Keramik-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Keramikschlickers; einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Keramik-Formteils dazwischen gehalten wird; einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; einen isolierenden Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Verbundmaterial-Formteils durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers; und einen Backschritt zum Anfertigen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Keramik-Formteils und des isolierenden Verbundmaterial-Formteils.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus isolierendem Verbundmaterial, in welchem Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so gebildet ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Keramik-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Keramik-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Keramikschlickers; einen Backschritt zum Herstellen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Keramik-Formteils; einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Elektrodenpaars, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird; einen Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren von Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; und einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit dem Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialkeramikschlickers auf den Festelektrolytkörper.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 13 oder 14, wobei in jedem des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts ein Hochdruck-Dispersionsgerät, welches einen Flusskanal, der als ein Durchgang für jeden Schlicker dient, und einen Kollisionsabschnitt, der mittig in dem Flusskanal angeordnet ist, einschließt, um ein Hochdruck-Dispersions-Verfahren auszuführen, in dem jeder Schlicker mit Druck zu dem Flusskanal des Hochdruck-Dispersionsgeräts zugeführt wird, um die Dispersion jedes Schlickers, der mit dem Kollisionsabschnitt unter einem Druck von 10 bis 400 MPa kollidiert, hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Hochdruck-Dispersionsgerät einen Misch-Dispersions-Abschnitt einschließt, in welchem eine bewegliche Öffnung so vorgesehen ist, dass sie sich auf- und abbewegt, um das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung eines vorderen Endabschnitt der beweglichen Öffnung, der zu der Innenseite des Misch-Dispersions-Abschnitt hin freiliegt, als den Kollisionsabschnitt auszuführen.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 13 oder 14, wobei in jedem des Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts ein Rühr-Dispersions-Verfahren ausgeführt wird, in welchem jeder Schlicker dispergiert wird, während er gerührt wird, um mit Scherkraft beaufschlagt zu werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 17, wobei das Rühr-Dispersions-Verfahren durch Rühren jedes Schlickers in einem Rührtank, der einen geschlossenen druckdichten Behälters und auf einen drehbaren Schaft montierte Drehschieber, die in den geschlossen druckdichten Behälter vorgesehen sind, einschließt, ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei eine oder mehrere Arten, die aus dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem Nanoteilchenschlicker, dem isolierenden Keramikschlicker und dem isolierenden Verbundmaterialschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran dispergiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus einem ionenleitfähigen Verbundmaterial, in welchem erste Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus isolierendem Verbundmaterial, in welchem zweite Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so gebildet ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ersten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren erster Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des ersten Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der ersten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der ersten Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers; einen Elektrodendruckabschnitt-Formschritt zum Formen eines Paares von Elektrodendruckabschnitten, so dass mindestens ein Teil des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils dazwischen gehalten wird; einen zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines zweiten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren zweiter Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des zweiten Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der zweiten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der zweiten Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; einen isolierenden Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines isolierenden Verbundmaterial-Formteils durch Formen des isolierenden Verbundmaterialschlickers; und einen Backschritt zum Herstellen des Gassensorelements durch integrales Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils und des isolierenden Verbundmaterial-Formteils.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, welches einen Festelektrolytkörper aus einem ionenleitfähigen Verbundmaterial, in welchem erste Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus ionenleitfähiger Keramik besteht, einen Isolator aus isolierendem Verbundmaterial, in welchem zweite Nanoteilchen mit einem Durchmesser gleich oder kleiner als 100 nm mit 0,1 bis 20 Gew.-% in einer Hauptkomponente dispergiert sind, die aus isolierender Keramik besteht, und ein Elektrodenpaar, das so gebildet ist, dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird, einschließt, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ersten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren erster Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Keramikschlickers durch Dispergieren ionenleitfähiger Keramik in einem Lösungsmittel; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers durch Mischen des ersten Nanoteilchenschlickers und des ionenleitfähigen Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der ersten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der ersten Nanoteilchen und der ionenleitfähigen Keramik; einen ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formschritt zum Anfertigen eines ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils durch Formen des ionenleitfähigen Verbundmaterialschlickers; einen Backschritt zum Anfertigen des Festelektrolytkörpers durch Backen des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Formteils; einen Elektroden-Formschritt zum Formen eines Elektrodenpaars, so dass mindestens ein Teil des Festelektrolytkörpers dazwischen gehalten wird; einen zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines zweiten Nanoteilchenschlickers durch Dispergieren zweiter Nanoteilchen mit einem Teilchendurchmesser gleich oder kleiner als 100 nm in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Schlicker-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Keramikschlickers durch Dispergieren isolierender Keramik in einem Lösungsmittel; einen isolierenden Verbundmaterial-Präparationsschritt zum Präparieren eines isolierenden Verbundmaterialschlickers durch Mischen des zweiten Nanoteilchenschlickers und des isolierenden Keramikschlickers mit einem Mischungsverhältnis von 0,1 bis 20 Gewichtsteilen der zweiten Nanoteilchen zu 100 Gesamtteilen der zweiten Nanoteilchen und der isolierenden Keramik; und einen isolierenden Keramikkörper-Formschritt zum Formen eines isolierenden Keramikkörpers integral mit Festelektrolytkörper durch Backen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf dem Festelektrolytkörper oder durch Plasmaspritzen des isolierenden Verbundmaterialschlickers auf den Festelektrolytkörper.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 20 oder 21, wobei in jedem des ersten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts eine Hochdruck-Dispersionsgerät, welches einen Flusskanal, der als ein Durchgang für jeden Schlicker dient, und einen Kollisionsabschnitt, der mittig in dem Flusskanal angeordnet ist, einschließt, um ein Hochdruck-Dispersions-Verfahren auszuführen, in dem jeder Schlicker mit Druck zu dem Flusskanal des Hochdruck-Dispersionsgeräts zugeführt wird, um die Dispersion jedes Schlickers, der mit dem Kollisionsabschnitt unter einem Druck von 10 bis 400 MPa kollidiert, hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Hochdruck-Dispersionsgerät einen Misch-Dispersions-Abschnitt einschließt, in welchem eine bewegliche Öffnung so vorgesehen ist, dass sie sich auf- und abbewegt, um das Hochdruck-Dispersions-Verfahren unter Verwendung, als den Kollisionsabschnitt, eines vorderen Endabschnitt der beweglichen Öffnung, der zu der Innenseite des Misch-Dispersions-Abschnitt hin freiliegt, auszuführen.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 20 oder 21, wobei in jedem des ersten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des ionenleitfähigen Schlicker-Präparationsschritts, des zweiten Nanoschlicker-Präparationsschritts, des isolierenden Schlicker-Präparationsschritts und des ionenleitfähigen Verbundmaterial-Präparationsschritts ein Rühr-Dispersions-Verfahren ausgeführt wird, in welchem jeder Schlicker dispergiert wird, während er gerührt wird, um mit Scherkraft beaufschlagt zu werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 24, wobei das Rühr-Dispersions-Verfahren durch Rühren jedes Schlickers in einem Rührtank, der einen geschlossenen druckdichten Behälters und auf einen drehbaren Schaft montierte Drehschieber, die in den geschlossen druckdichten Behälter vorgesehen sind, einschließt, ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei eine oder mehrere Arten, die aus dem ionenleitfähigen Keramikschlicker, dem ersten Nanoteilchenschlicker, dem ionenleitfähigen Verbundmaterialschlicker, dem isolierenden Keramikschlicker, dem zweiten Nanoteilchenschlicker und dem isolierenden Verbundmaterialschlicker ausgewählt wurden, durch Anlegen von Ultraschall daran dispergiert werden.