[發明專利]制備氧傳感器用電解質層和致密擴散層雙層結構的方法

有效

• 申請號: 201710364073.2
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107219286B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 劉濤;王成;王相南;金宏斌;張曉芳;于景坤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 齊勝杰

本發明涉及電化學氧傳感器技術領域，尤其涉及制備氧傳感器用電解質層和致密擴散層雙層結構的方法，包括如下步驟：制備提拉浸漬液；將電解質層素坯浸入提拉浸漬液中；從提拉浸漬液中提起電解質層素坯，在其上形成液膜；對帶有液膜的電解質層素坯進行干燥，形成致密擴散層膜坯；對帶有致密擴散層膜坯的電解質層素坯進行燒結，形成致密擴散層素坯；將帶有致密擴散層素坯的電解質層素坯冷卻至室溫，形成致密擴散層和電解質層，二者彼此疊置且相連形成雙層結構。上述方法制得的致密擴散層的組織致密均勻、無氣孔、致密擴散層與電解質層的結合強度高、不容易出現裂紋且制備過程簡單，制成的氧傳感器的測氧范圍、穩定性和重現性得到提高。

技術領域

本發明涉及電化學氧傳感器技術領域，尤其涉及制備氧傳感器用電解質層和致密擴散層雙層結構的方法。

背景技術

極限電流氧傳感器被廣泛運用于汽車、能源、冶金等領域。依據工作原理的不同，氧傳感器可被分為濃差電池型和極限電流型兩種，極限電流型氧傳感器具有測量范圍廣、響應時間短、靈敏度高、壽命長、無需參比氣體等優點。目前，極限電流型氧傳感器可以分為三個類型：小孔型、多孔型和致密擴散障礙層型。其中，小孔型造價昂貴而易堵塞變形；多孔型雖然制備相對簡單，但孔隙率難以控制，長期使用會導致透氣性惡化，從而影響傳感器的性能和使用壽命，因此在實際應用中小孔型和多孔型極限電流型氧傳感器受到了限制。采用混合導體作為致密擴散障礙層的氧傳感器可以克服小孔型和多孔型的不足之處。因此近年來，致密擴散障礙層極限電流型氧傳感器的研究和應用已成為目前的熱點，其剖面結構示意圖如圖1所示，其組成包括正負電極、致密擴散障礙層(簡稱致密擴散層)、固體電解質層(簡稱電解質層)和高溫密封玻璃釉。

國內外研究工作者對極限電流型氧傳感器中的致密擴散障礙層的制備方法進行了諸多研究工作，比如，通過利用磁控濺射、絲網印刷成膜(厚膜涂覆)、共壓共燒結、放電等離子燒結和瓷片復合等方法。其中，由于氧離子遷移率較高，磁控濺射法制備的致密擴散障礙層厚度又很薄，導致氧傳感器測氧范圍較窄；而采用的絲網印刷成膜技術雖增加了致密擴散障礙層的厚度，但在高溫燒結過程中漿料中的有機物會造成許多微孔，導致致密擴散障礙層的致密度降低。共壓共燒結法中，因致密擴散層與電解質層的熱膨脹系數、燒結收縮率不匹配，會導致燒結體在共燒結過程中出現裂紋，影響氧離子的擴散。采用放電等離子燒結(SPS)技術中，由于致密擴散層在SPS燒結工程中易被C還原，致密擴散層與電解質層的熱膨脹系數不匹配會引起燒結體開裂，因此測氧性能不理想。瓷片復合法制備方式能夠獲得較好的測氧特性，然而該法制備過程繁瑣、周期長，而且常規燒結法制備的致密擴散障礙層含有較多氣孔，導致致密擴散障礙層的致密度降低。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在于提供一種制備氧傳感器用電解質層和致密擴散層雙層結構的方法，其中致密擴散層的組織致密均勻、無氣孔、致密擴散層與電解質層的結合強度高、不容易出現裂紋且制備過程簡單，并且由該雙層結構構成的氧傳感器的測氧范圍、穩定性和重現性均能夠得到提高。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

本發明提供一種制備氧傳感器用電解質層和致密擴散層雙層結構的方法，包括如下步驟：S1、制備用于形成致密擴散層的提拉浸漬液；S2、將電解質層素坯浸入提拉浸漬液中，保持20-90s；S3、以15-400mm/min的速度勻速平穩地將電解質層素坯從提拉浸漬液中提起，在電解質層素坯上形成液膜；S4、對帶有液膜的電解質層素坯進行干燥，形成位于電解質層素坯上的致密擴散層膜坯，其中，干燥溫度位于70-90℃的范圍內；S5、對帶有致密擴散層膜坯的電解質層素坯進行燒結，燒結溫度位于1200-1600℃的范圍內，燒結時間位于5-30h的范圍內，燒結后，致密擴散層膜坯形成致密擴散層素坯；S6、將帶有致密擴散層素坯的電解質層素坯冷卻至室溫，冷卻后的致密擴散層素坯形成致密擴散層，冷卻后的電解質層素坯形成電解質層，致密擴散層和電解質層彼此疊置且相連，形成雙層結構。