致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的研究进展

致密扩散障层极限电流型氧传感器具有结构简单、响应速度快、成本低廉等优点,可广泛应用于冶金、汽车、航天等多种领域。本文从极限电流型氧传感器的工作原理与分类、固体电解质、扩散障碍层材料及氧传感器的制备工艺等方面,对近年来致密扩散障碍层极限电流型氧传感器用材料的研究进展及传感器的制备工艺进行了综述,并对致密扩散障碍层极限电流型氧传感器用中低温电解质材料提出了发展方向。

具有LSM致密扩散障碍层的片式极限电流型氧传感器

采用了一种新的有效工艺,制备出了以8mol％Y2O3稳定的ZrO2为固体电解质基体材料,以La0.8Sr0.2MnO3混合导体材料为致密扩散障碍层的极限电流型氧传感器,避免了YSZ和LSM两种材料在烧结时收缩率不匹配的问题,且能够很好给出全范围空燃比的极限电流.该传感器与以往的极限电流型传感器相比具有结构简单,响应更快,工作稳定,成本低廉等优点,有很好的应用前景.

用LSCo作扩散障碍层的极限电流型氧传感器

采用简单工艺,制备出以8％Y2O3(摩尔分数)稳定的ZrO2为固体电解质,La0.8Sr0.2CoO3混合导体材料为扩散障碍层的极限电流型氧传感器.该传感器能够很好地给出全范围空燃比的极限电流平台,与小孔或多孔极限电流型传感器相比,具有结构简单、响应快、工作可靠、成本低廉等优点.

共压共烧法制备La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)致密扩散障碍层极限电流型氧传感器

采用固相合成法制备了La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)(LSGMF)混合导体和La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)固体电解质,利用XRD、TGA、范德堡直流四探针法和热膨胀仪等对试样进行了分析。以LSGMF为致密扩散障碍层,以LSGM为氧泵层,采用共压共烧结法制备了极限电流型氧传感器,利用SEM和EDS对LSGMF/LSGM陶瓷体横截面的微观形貌和成分进行了分析。结果表明:LSGMF具有菱方钙钛矿结构(R-3c空间群),它在650℃失重速率最快,其电导率随温度的升高而增大;300~1000℃范围,LSGM与LSGMF的热膨胀系数分别为12.51×10^(–6)/℃和12.80×10^(–6)/℃。650~850℃范围,氧传感器具有良好的极限电流平台,lg I_L(极限电流I_L)与1000/T呈线性关系,LSGMF中氧离子的扩散激活能为0.4008 e V。800℃、0.3mol%<x(O_2)<21.0mol%时,极限电流IL与氧含量x(O_2)间的关系为:I_L(m A)=10.285x(O_2)(mol%),R=0.9982。LSGMF和LSGM结合牢固,未产生裂纹,EDS分析基本符合各化合物的化学计量比。

Sr_(0.9)Y_(0.1)CoO_(3--δ)致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的制备及性能

采用固相合成法制备SrO.9Y0.1CoO3-δ（sYcO）混合导体和Lao.8sr0．2Ga0.83Mgo.1702．815（LSOM）固体电解质，利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、热重分析仪、热膨胀仪和碘滴定法对SYCO性能进行了表征。以SYCO为致密扩散障碍层，LSGM为氧泵层，采用瓷片复合法制备出致密扩散障碍层极限电流型氧传感器，研究了温度和氧含量对传感器性能的影响。结果表明：SYCO晶体为立方相Pm3m空间群结构；SYCO致密扩散障碍层致密且气孔较少，各元素的摩尔比基本符合SYCO的化学计量比；350～1000℃条件下，SYCO的线膨胀系数为25×10-6／℃；SYCO的非化学计量数δ为-0．143。中低温条件下（600-800℃），氧传感器具有良好的极限电流平台，在700℃（氧含量为0．91％～3．95％）和750℃（氧含量为0．98％～4．00％）条件下，提出了极限电流h与氧含量关系曲线。

La0.8Sr0.2CoxFe1-xO3型氧扩散障层材料的制备及结构性能研究

采用共沉淀-凝胶方法制备La0.8Sr0.2CoxFe1-xO3(x=1.0、0、0.3)氧扩散障碍层材料的前驱体,分别用X射线衍射分析、透射电镜、扫描电镜和交流阻抗谱仪对三种不同粉体及其陶瓷结构和性能进行研究.结果表明:在870℃下焙烧制备的La0.8Sr0.2CoxFe1-xO3(x=1.0、0、0.3)粉末具有钙钛矿相结构,无硬团聚,颗粒大小在20～60 nm.此粉末经冷等静压250MPa成型后,在1120℃下烧结6h,La0.8Sr0.2CoO3和La0.8Sr0.2FeO3混合导体的电导率在10—1S/cm数量级,而La0.8Sr0.2Co0.3Fe0.7O3导电率最高达100 S/cm数量级.三种陶瓷都是电子电导远大于离子电导的混合导体,电导率最高值在200～300℃范围,偏向低温.

基于多掺杂的CeO_(2)和La_(0.8)Sr_(0.2)Fe_(0.7)Ni_(0.3)O_(3-δ)极限电流型氧传感器的制备及性能研究

采用溶胶-凝胶法制备Ce_(0.8)Sm_(0.1)Nd_(0.05)Ca_(0.05)O_(2-δ)(CSNC)和La_(0.8)Sr_(0.2)Fe_(0.7)Ni_(0.3)O_(3-δ)(LSFN)粉体。利用X射线衍射仪、电化学工作站、数字源表等设备分别对试样的晶体结构和性能进行测试。采用陶瓷片复合法制备致密扩散障极限电流氧传感器,并对其氧敏性能进行测试。结果表明:CSNC呈立方萤石结构,LSFN为六方钙钛矿结构。LSFN在700℃时,电导率达到最大为359.40 S·cm^(-1)。氧传感器在600~800℃范围内,氧含量为2%~20%时,显示出良好的极限电流平台。在同一温度下,随着氧浓度的增加,出现极限电流平台的电压逐渐增大,极限电流逐渐升高,极限电流IL与氧浓度x(O_(2))之间存在较好的线性关系;在同一氧浓度下,随温度的升高,出现极限电流平台的电压逐渐降低,极限电流逐渐增大,lg IL与1000/T呈线性关系。

基于LSCF/SDC-BZCYYb极限电流氧传感器的研究

采用甘氨酸—硝酸盐法制备La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ(LSCF)混合导体致密扩散障碍层材料。采用溶胶凝胶-低温燃烧法制备Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)固体电解质材料和电子阻碍材料Ba Zr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)。用Pt浆粘合LSCF陶瓷与SDC-BZCYYb陶瓷,来制备致密扩散障碍层极限电流型氧传感器,对该氧传感器进行氧敏性能测试。测试结果表明:以LSCF做为致密扩散障碍层、SDC做为固体电解质的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器在引入电子阻碍材料BZCYYb后,在700℃温度下,氧体积分数为0~21%范围内,均获得良好的极限电流平台,极限电流最大值达25 m A,出现极限电流平台的电压为0.5 V^1.7 V,极限电流与氧体积分数呈良好的线性关系,响应时间约5 s^10 s;测量误差约为±1%。研究结果为该传感器的实际应用提供了理论与实验依据。

LaBMnO_3-ZrO_2复合极限电流型氧传感器的制备与性能

采用高温固相反应法制备了电导率为10-1S/cm数量级的LaBMnO3(B=Ca,Sr,Ba)致密扩散障混合导体陶瓷。用化学共沉淀法制备了高温电导率为10-2S/cm数量级的氧化钇稳定氧化锆(yttria stabilized zirconia,YSZ)固体电解质陶瓷。用瓷片复合工艺将致密扩散障陶瓷与YSZ陶瓷复合,制备出了致密扩散障极限电流型氧传感器。对该传感器进行氧敏性能测试,结果表明:以LaBMnO3为致密扩散障碍层、YSZ为固体电解质的极限电流型氧传感器,在体积分数为0～21%氧含量范围内,均能获得较好的极限电流平台,电流最大值达到12mA;出现极限电流平台的电压区间为0.6～1V;氧含量与极限电流呈指数对应关系,反应时间约10s。此传感器制备工艺简单、过程可控,为该传感器的理论与应用研究打下了基础。