【正文】 11 致密擴(kuò)散障礙層材料 LNF 粉體的制備 ..................................................... 12 電子阻礙材料粉體的制備 ....................................................................... 12 氧傳感器 的制備 ..................................................................................... 13 性能測(cè)試 .......................................................................................................... 13 粉體的物相分析與微觀結(jié)構(gòu) ................................................................... 13 氧傳感器的電化學(xué)性能測(cè)試 ................................................................... 14 氧傳感器的氧敏性能測(cè)試 ....................................................................... 14 配氣系統(tǒng) ............................................................................................... 14 加熱系統(tǒng) ............................................................................................... 14 測(cè)量系統(tǒng) ............................................................................................... 15 SDC 固體電解質(zhì)粉體的物相分 析和顯微形貌分析 ............................................... 15 SDC 固體電解質(zhì)粉體的物相分析 ............................................................. 15 SDC 固體電解質(zhì)的顯微形貌分析 ............................................................. 16 第三章 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的研究 .................................................. 17 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的制備 .................................................. 17 LNF 致密擴(kuò) 散障礙層材料的物相分析 ................................................................ 18 LNF 絲網(wǎng)印刷在 SDC 基片上不同厚度的氧傳感器的斷面分析 ............................. 19 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 V LNF 絲網(wǎng)印刷刷制兩層在 SDC 上的顯微形貌斷面分析 ............................ 19 LNF 絲網(wǎng)印刷刷制三層在 SDC 上的顯微形貌分析 ................................... 19 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器電化學(xué)性能測(cè)試 ............................................... 20 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器的氧敏性能 ............................................................. 22 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器極限電流與氧分壓的關(guān)系 ............................. 22 SDC/LNF 絲網(wǎng)印刷氧傳感器極限電流與工作溫度的關(guān)系 .......................... 24 本章小結(jié) .......................................................................................................... 27 第四章 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的研究 ................................................. 28 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的制備 ................................................. 28 LSCF 致密擴(kuò)散障礙層材料的物相分析 ............................................................... 28 LSCF 絲網(wǎng)印刷在 SDC 基片上不同厚度的氧傳感器的斷面分析 ............................ 29 LSCF 絲網(wǎng)印刷刷制兩層在 SDC 上的顯微形貌分析 ................................... 29 LSCF 絲網(wǎng)印刷刷制三層在 SDC 上的顯微形貌分析 ................................... 30 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器電化學(xué)性能測(cè)試 .................................................... 31 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器的氧敏性能 ........................................................... 33 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器極限電流與氧分壓的關(guān)系 ............................ 33 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器極限電流與工作溫度的關(guān)系 ........................ 34 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷氧傳感器內(nèi)加入電子阻礙材料后氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間 .......... 37 本章小結(jié) .......................................................................................................... 38 5 結(jié) 論 ........................................................................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 39 致 謝 ............................................................................................................................. 43 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 1 第一章 文獻(xiàn)綜述 引言 汽車所排放出的尾氣中含有有害物質(zhì)：主要有一氧化碳（ CO）、碳?xì)浠衔铮?HC）、硫氫化合物（ SOx）、氮氧化物（ NOx）以及固體微粒等 [1,2],目前，研究表明汽車尾氣的不環(huán)保排放，亦會(huì)造成大面積霧霾的發(fā)生。所以當(dāng)前，研發(fā)和使用新能源，高效地利用資源已經(jīng)成為刻不容緩的任務(wù)。所以，我們研發(fā)出了致密擴(kuò)散型氧傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)空燃比以對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的 A/F 進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制燃料的燃燒過(guò)程，以達(dá)到減少汽車尾氣中有害氣體的排放，來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)保型汽車工業(yè)的發(fā)展目標(biāo) [3]。 當(dāng)然氧傳感器的應(yīng)用還有其他方面，比如工業(yè)鍋爐內(nèi)的燃燒控制 ，其目的在于確保鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)，降低煤耗，減少煙氣排放量和保護(hù)環(huán)境，以提高其經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，氧傳感器還可以用于熱處理爐的氣氛控制和金屬液中氧含量的快速測(cè)定等。 再者，氧傳感器的使用也有很高的經(jīng)濟(jì)效益。目前全世界能源面對(duì)枯竭的局面，使用氧傳感器在汽車工業(yè)中，可以節(jié)約燃油。據(jù)豐田公司的研究表明，汽車運(yùn)行能耗約是生產(chǎn)能耗的 3 倍左右。而生產(chǎn)能耗只占總能耗的 %[4].故，使用氧傳感器，可以起到減少污染和節(jié)約資源的作用。 氧傳感器 氧傳感器的應(yīng)用 當(dāng)前，健康空調(diào)概念的提出，催 生了氧傳感在該領(lǐng)域的大量需求；在汽車領(lǐng)域中，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保汽車的嚴(yán)格要求，促進(jìn)了氧傳感在該行業(yè)的應(yīng)用。其用于汽車的燃燒控制，可以提高燃煤利用率；在鍋爐燃燒、化工生產(chǎn)、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中用氧傳感器對(duì)其反應(yīng)過(guò)程的氧含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，旨在控制空燃比，以達(dá)到節(jié)能、環(huán)保和優(yōu)質(zhì)冶煉的目的。隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和軍事技術(shù)的進(jìn)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 2 步，我們所面臨的環(huán)境和資源問(wèn)題也不容小覷。故此，氧傳感器及其智能化儀表在國(guó)防科研、汽車工業(yè)、冶金化工、醫(yī)療環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用 [5]。西方發(fā)達(dá)國(guó)家也正是看中了這一特性，所以用來(lái)降低汽車 尾氣中有害氣體的排放量 [6]。 氧傳感器的類型 根據(jù)工作原理的不同，氧傳感器可以劃分為電化學(xué)型氧傳感器、光纖式氧傳感器、熱磁式氧傳感器等。趙萍、孫志成等人在所發(fā)表刊物中闡述到電化學(xué)氧傳感器具有可靠性高、成本低的特點(diǎn)，當(dāng)然也是目前研究最多、技術(shù)最成熟的一類氧傳感器；熱磁式氧傳感器、光學(xué)氧傳感器雖然具有較高的靈敏度，但是存在成本高、可靠性差等問(wèn)題，因而限制了其大規(guī)模的應(yīng)用 [7]。 極限電流型氧傳感器 極限電流型氧傳感器測(cè)量范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、精度高、響應(yīng)快 [8],近些年來(lái)業(yè)已成為研究的熱點(diǎn)。 極限電流型氧傳感器大致可以分為下述三種；即小孔型極限電流型氧傳感器[9,10]、多孔擴(kuò)散層極限電流氧傳感器 [11]和致密擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器。 小孔擴(kuò)散型極限電流型氧傳感器 根據(jù) [12]李福森、夏暉等人的介紹單電池小孔型極限電流型氧傳感器如圖 所示；該固體電解質(zhì)用 YSZ 材料制成，然后，使用刷子在其兩端涂覆鉑漿料并且引出鉑絲 [13]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 3 圖 小孔極限電流型氧傳感器示意圖 其工作原理是 [14]：當(dāng)外加電壓加在固體電解質(zhì) ZrO2上時(shí)， O2會(huì)在內(nèi)電極（陰極）上得到電子形成 O2,O2通過(guò) ZrO2的傳遞作用，在外電極（陽(yáng)極）上放電， O2又變成 O2，這樣氧就通過(guò)固體電解質(zhì)被從電極的陰極泵送到陽(yáng)極，即為常說(shuō)的泵氧電池。電極反應(yīng)方程式如下： 陰 極側(cè) O2 + 4e? →2O2? （式 ） 陽(yáng)極側(cè) 2O2?→ O2 +4e? （式 ） 另根據(jù)夏風(fēng)的研究成果中所講 [15],泵氧過(guò)程中，外加泵電壓的增加將會(huì)導(dǎo)致泵電流的增加，爾后逐步減小甚至出現(xiàn)電流平臺(tái)的現(xiàn)象，這就即研究界通常所說(shuō)的：電流達(dá)到飽和狀態(tài)，而這個(gè)電流即為極限電流。另外，由菲克一維擴(kuò)散模型原理推知，所得到的極限電流大小與待測(cè)氣氛中氧濃度基本上成正比的關(guān)系，故此可以依據(jù)這來(lái)測(cè)定氣氛中的氧濃度，其理論依據(jù)為 [16]： ? ? ? ?21ln/4 OPRT LFS DI ? （式 ） 其中： D 為氧擴(kuò)散系數(shù)； F為法拉第常數(shù)； R 為 氣體常數(shù)； PO2為待測(cè)氣氛中的氧分壓； T為溫度； S 為小孔截面積 ； L 為小孔長(zhǎng)度。如圖 所示為小孔限流型極限電流氧傳感器的電流 電壓曲線，反應(yīng)了極限電流與待測(cè)氣氛中氧濃度的關(guān)系 [17]。 圖 小孔型極限電流氧傳感器的電流 — 電壓曲線圖 多孔擴(kuò)散型極限電流型氧傳感器 國(guó)外 Kohser[17]教授在文獻(xiàn)中指出，為了加快響應(yīng)時(shí)間?？梢允褂枚嗫淄繉觾?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 4 取代小孔層的方式，來(lái)制得的極限電流型氧傳感器。這就是研究界常說(shuō)的多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器 ,其所具有的特點(diǎn)是，多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器容易制備。其缺點(diǎn)是：孔隙率難以控制，如若工作環(huán)境中有灰塵等固體顆粒的污染，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)孔隙的透氣性會(huì)發(fā)生變化，因而會(huì)影響傳感器的使用性能 [18]。如圖 為其示意圖： 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180510152025 600 ? CZ/OhmZ39。/Ohm 圖 多孔擴(kuò)散