【正文】 可以看出，在此溫度下， LSCF陶瓷片的晶粒發(fā)育不好。沒有雜相峰的出現(xiàn)。下一步，就是制備 LSCF 絲網(wǎng)印刷漿料。 （ 2）用絲網(wǎng)印刷工藝制備的氧傳感器 LNF 和 SDC 界面清晰，無分層，說明絲網(wǎng)印刷工藝刷制在 SDC 基片上已然燒結(jié)在一起構(gòu)成了致密擴(kuò)散障礙型極限電流型氧傳感器的陶瓷基片結(jié)構(gòu)。 C 750 176。有文獻(xiàn)認(rèn)為，氧傳感器處于某一恒定的溫度和氧分壓時，氧在致密擴(kuò)散障礙層材料中的最大擴(kuò)散速率基本沒有變化，所以氧在 SDC固體電解質(zhì)中的遷移數(shù)量決定了測得極限電流的大小。而且氧分壓越高，所測得的極限電流值越大。 (3) 極限電流平臺段 此階段隨著外界加載的電壓增大到一定程度，固體電解質(zhì)的泵氧速率與致密擴(kuò)散障礙層的氧擴(kuò)散速率相等，此時達(dá)到極限電流值。 39。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 21 0 50 100 150 200 250 300 350 400510152025 550 176。另外也與脂類和醇類物質(zhì)的揮發(fā)有關(guān)，故此，我們應(yīng)該改進(jìn)工藝，查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上 。估計這與工藝有關(guān)，因為制備工藝中要加入乙基纖維素來增加其粘性和使用松油醇來做為研磨劑以制備出供絲網(wǎng)印刷用的 LNF 漿料。最后，在用絲網(wǎng)印刷板把漿料刷制于上面已經(jīng)清洗干凈的 SDC 基片上，并且為了增加其阻礙層的厚度，可以采用刷制好幾層的方法。 第三章 LNF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的研究 LNF/SDC絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的制備 使用精密天平稱取一定量的 SDC碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)粉體于稱量紙上，選取Φ 15 的模具，在 4Mpa 的壓力下壓制成生胚。另外，經(jīng)與 標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜對照，其符合的很好。 加熱系統(tǒng) 傳感器的實際工作溫度一般低于 800℃，我們實驗室采用 管式爐作為加熱裝置。 氧傳感器的氧敏性能測試 致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器中的電解質(zhì)是泵氧層，電解質(zhì)上的致密擴(kuò)散障礙層即會限制泵氧的速度。／ min，衍射角范圍為 20176。將酒精倒入蒸發(fā)皿中， SDC 片完全浸入酒精，再將蒸發(fā)皿超聲波中清洗20min。 4）將第二步和第三步得到的溶液混合，然后使用玻璃棒經(jīng)長時間攪拌后，再加入 甘氨酸。La2O3用稀硝酸溶解， NiO 用濃硝酸加熱溶解。 Ce2(CO3)36H2O Fe(NO3)3故而，氧傳感器在國防科研、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 [53,54]。 Anderson 與其他學(xué)者認(rèn)為： Fe 的摻入量與 LSCF 的熱膨脹系數(shù)成反比例關(guān)系， Fe 摻入量較大時其熱膨脹系數(shù)與 DCO 的熱膨脹系數(shù)相接近 [39] 。從室溫到 1000℃ 的熱膨脹系數(shù)為 106K1 比較接近于 SDC的熱膨脹系數(shù)。通常，大部分科研工作者認(rèn)為：氧離子導(dǎo)電是由于間隙離子或者氧空穴而產(chǎn)生的； 但電子導(dǎo)電是由于電子缺陷而產(chǎn)生的。離子在固體電解質(zhì)的遷移過程中常伴有電子遷移，當(dāng)其中的離子遷移數(shù)達(dá)到 1 左右時，該固體即為固體電解質(zhì)，但如果與 1相差很遠(yuǎn)時由于內(nèi)部混合油離子和電子遷移而成為混合導(dǎo)體。此種結(jié)構(gòu)有其優(yōu)點，即對離子傳導(dǎo)是最有利的，陽離子位于由氧離子所構(gòu)成的立方陣心，配位數(shù)為 8，氧離子則處于由陽離子組成的四面體的中心，配位數(shù) 4。 當(dāng)前，經(jīng)過實踐的摸索和理論的進(jìn)一步深入之后，我們設(shè)計了兩個方案來降低固體電解質(zhì)的工作溫度。當(dāng)施加外電壓在氧傳感器兩側(cè)時，負(fù)極端與混合導(dǎo)體 層連接。其缺點是：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，長時間使用時孔隙的透氣性會發(fā)生變化，因而會影響傳感器的使用性能 [18]。 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]。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)過程中用氧傳感器對其反應(yīng)過程的氧含量進(jìn)行監(jiān)測，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。所以，我們研發(fā)出了致密擴(kuò)散型氧傳感器，通過監(jiān)測空燃比以對汽車發(fā)動機(jī)的 A/F 進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制燃料的燃燒過程，以達(dá)到減少汽車尾氣中有害氣體的排放，來實現(xiàn)環(huán)保型汽車工業(yè)的發(fā)展目標(biāo) [3]。爾后利用掃描電子顯微（ SEM）、電化學(xué)工作站對其進(jìn)行斷面結(jié)構(gòu)分析和電化學(xué)性能分析 關(guān)鍵詞 ：氧傳感器；極限電流； SDC；致密擴(kuò)散障礙層； LNF。 為了達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的愿景。 采用溶膠凝膠法制備了致密擴(kuò)散障礙層粉體 LNF 和 LSCF，應(yīng)用 X 射線衍射分析儀（ XRD）對粉體物相進(jìn)行了表征。 LSCF。據(jù)豐田公司的研究表明，汽車運行能耗約是生產(chǎn)能耗的 3 倍左右。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，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、可靠性差等問題，因而限制了其大規(guī)模的應(yīng)用 [7]。 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 國外 Kohser[17]教授在文獻(xiàn)中指出，為了加快響應(yīng)時間。另外，固體電子 — 氧離子混和導(dǎo)體材料內(nèi)部的氧氣傳輸是依靠晶格缺陷完成。因此，極限電流型氧傳感器是近年來研究熱點 [21]。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn) ,內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 6 摻雜后具有較高的離子電導(dǎo)率。即：要求（ 1）材料具有盡可能大的電子導(dǎo)電能力和一定的氧離子導(dǎo)電能力，（ 2）材料的熱膨脹系數(shù)要與電解質(zhì)材料相匹配，此外，還要求其具有高的催化活性和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物典型的晶體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的正六面體型，其晶胞如圖 所示，其中子 A 是較大的陽離占據(jù)立方晶胞的八個頂角， B 是較小的陽離子占據(jù)立方晶胞的體心，配位數(shù)是 6，氧離子則分布于面心，氧離子與 A離子一起按立方密堆積排列。 CZ/OhmZ39。 Yokokawa教授 [43,44]等人研究發(fā)現(xiàn)， 鋯的反應(yīng)產(chǎn)物為鋯酸鍶 ，條件是在 1000℃時。 選題的目的和意義 當(dāng)前一段時間，節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為社會主題，尤其健康空調(diào)概念的提出，催生了氧傳感在該領(lǐng)域的大量需求；在汽車工業(yè)中，隨著環(huán)保要求的加大，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 9 促進(jìn)了氧傳感在該領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，再采用絲網(wǎng)印刷工藝來制作可在較低溫度使用的擴(kuò)散障礙型極限電流氧傳感。為制得較細(xì)粉體本實驗在以上方法中選用溶 膠凝膠 低溫燃燒法制備 SDC 電解質(zhì)材料。 致密擴(kuò)散障礙層材料 LNF 粉體的制備 擴(kuò)散障礙材料 粉體的制備采取的是溶膠凝膠 低溫燃燒法制備。 5H2O 加入到 EDTANH3溶液中，加熱并攪拌均勻直到變?yōu)闇\黃色溶液。其工藝過程為 :稱量 克 CSC 電解質(zhì)，在 Ф 15 的模具中先放入墊片，再放入一張紙質(zhì)墊片，放入粉體用竹簽將粉體布均勻，在依次放入紙質(zhì)墊片和模具的墊片。 以方便測量時的接線，即可得到待測的傳感器試樣。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 14 氧傳感器的電化學(xué)性能測試 極限電流型氧傳感器是在 SDC 電解質(zhì)做氧泵的基礎(chǔ)上，在電解質(zhì)表面絲網(wǎng)印刷一層 LNF/LSCF 作為擴(kuò)散障礙層，爾后，測試其在外加電壓下的電壓電流曲線。在測量通過調(diào)節(jié)流量閥改變兩種氣體的配比控制傳感器的測試環(huán)境的氧分壓。測量的是傳感器在一定溫度下及某一氧分壓在直流電壓掃描下的 IV曲線，掃描電壓范圍為 0~2V，掃描間隔 50mV 一次；當(dāng)調(diào)節(jié)氣體流量控制閥調(diào)節(jié)氣體的氧分壓，再根據(jù)上述步驟測量即可得到不同氧分壓的（ 5%~20%） IV 曲線 圖 氧傳感器的測試裝置圖 SDC 固體電解質(zhì)粉體的物相分析和顯微形貌分析 SDC 固體電解質(zhì)粉體的物相分析 對在 SDC 固體電解質(zhì)中加入碳酸鹽類化合物，所形成的 SDC碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)。其燒結(jié)后所制備的陶瓷薄片，其顯微結(jié)構(gòu)如圖 所示。下一步，就是制備 LNF 絲網(wǎng)印刷漿 料。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 19 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 LNF 絲網(wǎng)印刷刷制兩層在 SDC 上的顯微形貌斷面分析 圖 刷制兩層 LNF 在 SDC 基片上的斷面顯微形貌圖 用絲網(wǎng)印刷工藝刷制兩層 LNF 于 SDC 基片上時，再在 1250℃條件下分別處理兩次后，在 SEM 電鏡下顯微結(jié)構(gòu)如圖 所示。據(jù)文獻(xiàn)講，此結(jié)構(gòu)類似于電池的陰極。其呈現(xiàn)類似于拋物線形，亦即圖中曲線與橫軸相交的最大值變小。 CZ/OhmZ39。 (2) 歐姆段 此階段電流表現(xiàn)出隨外界加載的電壓成線性增長的關(guān)系。 圖 LNF/SDC絲網(wǎng)印刷工藝制備的氧傳感器在 750℃溫度下，測得氧體積分?jǐn)?shù)為 %～ %之間的 IV曲線圖。故此，極限電流值與氧體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，以上便證明了此推論 [59]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 25 110100 550 ? C 600 176。為了驗證此推理的正確性，根據(jù)前面不同溫度下的極限電流值，做出了 曲線，并且對其進(jìn)行線性擬合，如圖 ，從圖中可以看出， 的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到 99%以上，說明 呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，從而驗證了之前的結(jié)論是正確的 [59]。使用 800 目的砂紙對其表面進(jìn)行粗糙化處理。將其再 1250℃下處理 5h 待其冷卻即可制備出 LSCF 致密阻礙層極限電流型氧傳感器陶瓷基片。估計這與工藝有關(guān)，因為制備工藝中要加入乙基纖維素來增加其粘性和使用松油醇來做為研磨劑以制備出供絲網(wǎng)印刷用的 LSCF 漿料。而形不成致密的障礙層陶?？梢钥闯?，在此溫度下， LSCF陶瓷片的晶粒發(fā)育較為完善，晶粒間結(jié)合緊密且均勻性良好。最后，在用絲網(wǎng)印刷板把漿料刷制于上面已經(jīng)清洗干凈的 SDC 基片上，并且為了增加其阻礙層的厚度，可以采用刷制好幾層的方法。 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 8 1 . 92 . 02 . 42 . 83 . 23 . 64 . 04 . 44 . 85 . 25 . 66 . 0 log?IL?????mAK?1 ? T ?( K1103)E q u a t ion y = a + b *xA d j. R S q u a r e 0 . 9 9 7 2 1a 8 . 8 7 7 1 5b 3 . 2 2 6 8 3內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 28 第四章 LSCF/SDC 絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳感器的研究 LSCF/SDC絲網(wǎng)印刷極限電流型氧傳 感器的制備 使用精密天平稱取一定量的 SDC碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)粉體于稱量紙上，選取Φ 15 的模具，在 4Mpa 的壓力下壓制成生胚。氧離子在致密擴(kuò)散障礙層中的擴(kuò)散符合固體離子擴(kuò)散方式，依據(jù)固體理論擴(kuò)散系數(shù) DT和溫度 T有如下關(guān)系： DT = D0exp?(? εκBT) （式 ） 式中： D0頻率因子，是個常數(shù)； κ是有關(guān)的擴(kuò)散過程中的激活能； κB為玻爾茲曼常數(shù)。對產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行研究和分析，其原因是因為由于溫度的升高 SDC固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率也隨之增大，內(nèi)電阻減小，導(dǎo)致產(chǎn)生的泵氧電流增大，從而歐姆段的曲線斜率變大，需要較短的時間即可達(dá)到極限電流平臺，傳感器的響應(yīng)時間縮短。從圖中可以看出 , IL ?φ(O2)的線性相關(guān)系數(shù)近乎達(dá)到 99%以上，說明用絲網(wǎng)印刷工藝制備的 SDC/LNF極限電流型氧傳感器所測得的極限電流與被測氣氛中的氧體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，這一結(jié)論符合 Kundsen擴(kuò)散模型，證明與他人的研究結(jié)果較為符合。這一現(xiàn)象被認(rèn)為是因為固體電解質(zhì)的電化學(xué)分解所造成的。 (1) 低電壓段 此階段的電流增長較慢，呈現(xiàn)出極化傾向且與外界加載的電壓成非線性關(guān)系。 CZ/OhmZ39。該傳感器在空氣氣氛中不同溫度下的阻抗譜進(jìn)行了測試，測得的實驗結(jié)果如圖 所示。可以看出，在此溫度下， LNF陶瓷片的晶粒發(fā)育不好。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 18 LNF 致密擴(kuò)散障礙層材料的物相分析 20 30 40 50 60 70 80 Intensity(a.u.)2 T h e t a (o)900oCLaNiFeO3δ 圖 的 X 射線衍射圖譜 LNF 粉體經(jīng) 900℃處理后，進(jìn)行 XRD 分析，得到的衍射圖譜如圖 所示，經(jīng)與 LNF 標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜對照，在經(jīng) 900℃處理后，特征峰都符合的很好，衍射峰很明顯，雜峰消失，說明 LNF 粉體已經(jīng)完全形成鈣鈦礦型。磨的 SDC薄片表面看似光滑、實則粗糙，接著將磨好的片放于培養(yǎng)皿中；并且加入酒精直至將其基片淹沒住即可。所以可行。石英管上的導(dǎo)線相接入 ZAHNER IM6 電化學(xué)工作站。 配氣系統(tǒng) 該配氣系統(tǒng)由氧氣、氮氣的壓縮氣體鋼瓶，質(zhì)量流量計及氣體流量調(diào)節(jié)閥和輸氣管等構(gòu)成。 電解質(zhì) SDC 和混合導(dǎo)體材料 LNF 制備的氧傳感器片斷面微觀結(jié)構(gòu)采用日本Hitachi 公司生產(chǎn)的 S3400 型掃描電鏡進(jìn)行測