【正文】 2 +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。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。 當(dāng)然也具有較好的前景。 SDC。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]。上文涉及到小孔型極限電流型氧傳感器和多孔擴(kuò)散障礙型極限電流型氧傳感器的缺點(diǎn)，因此，我們研發(fā)了致密擴(kuò)散型氧傳感器。目前，我們課題組也是使用此種材料作為電解質(zhì)材料。 鈣鈦礦型氧化物 鈣鈦礦型復(fù)合氧化物通常是指與天然鈣鈦礦具有相同結(jié)構(gòu)的一類化合物 [33， 34]即類質(zhì)同晶結(jié)構(gòu)晶體。 La1xSrxCo1yFeyO3（ LSCF）鈣鈦礦型復(fù)合氧化物 LSCF為畸變的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)其中 La3+， Sr2+離子占據(jù)立方晶胞的體心位置， Sr3+、Co3+、 Fe4+離子則占據(jù)在晶胞的頂角上；立方晶胞的棱上占據(jù)著氧空位。所以我們探索出了使用致密擴(kuò)散障礙層材料來(lái)作為研究的新方向。將凝膠在電阻爐上自蔓延燃燒得到初始粉體。 7）將上一步得到的粉體進(jìn)行熱處理以得到實(shí)驗(yàn)所需粉體。 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(cè)試。石英管上的導(dǎo)線相接入 ZAHNER IM6 電化學(xué)工作站。磨的 SDC薄片表面看似光滑、實(shí)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(méi)住即可?？梢钥闯?，在此溫度下， LNF陶瓷片的晶粒發(fā)育不好。 CZ/OhmZ39。這一現(xiàn)象被認(rèn)為是因?yàn)楣腆w電解質(zhì)的電化學(xué)分解所造成的。對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行研究和分析，其原因是因?yàn)橛捎跍囟鹊纳?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(shí)間即可達(dá)到極限電流平臺(tái)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間縮短。 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?？梢钥闯觯诖藴囟认?， 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。估計(jì)這與工藝有關(guān)，因?yàn)橹苽涔に囍幸尤胍一w維素來(lái)增加其粘性和使用松油醇來(lái)做為研磨劑以制備出供絲網(wǎng)印刷用的 LSCF 漿料。使用 800 目的砂紙對(duì)其表面進(jìn)行粗糙化處理。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 25 110100 550 ? C 600 176。 圖 LNF/SDC絲網(wǎng)印刷工藝制備的氧傳感器在 750℃溫度下，測(cè)得氧體積分?jǐn)?shù)為 %～ %之間的 IV曲線圖。 CZ/OhmZ39。據(jù)文獻(xiàn)講，此結(jié)構(gòu)類似于電池的陰極。下一步，就是制備 LNF 絲網(wǎng)印刷漿 料。測(cè)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(cè)量即可得到不同氧分壓的（ 5%~20%） IV 曲線 圖 氧傳感器的測(cè)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(duì)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)。 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(cè)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(cè)試其在外加電壓下的電壓電流曲線。其工藝過(guò)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。 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。其次，再采用絲網(wǎng)印刷工藝來(lái)制作可在較低溫度使用的擴(kuò)散障礙型極限電流氧傳感。 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(shí)。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(yáng)離占據(jù)立方晶胞的八個(gè)頂角， B 是較小的陽(yáng)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。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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。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。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]。 LSCF。 為了達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的愿景。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]。 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]。當(dāng)施加外電壓在氧傳感器兩側(cè)時(shí)，負(fù)極端與混合導(dǎo)體 層連接。此種結(jié)構(gòu)有其優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)離子傳導(dǎo)是最有利的，陽(yáng)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(yáng)離子組成的四面體的中心，配位數(shù) 4。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。 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(shí)其熱膨脹系數(shù)與 DCO 的熱膨脹系數(shù)相接近 [39] 。6H2O Fe(NO3)3La2O3用稀硝酸溶解， NiO 用濃硝酸加熱溶解。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。 氧傳感器的氧敏性能測(cè)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(huì)限制泵氧的速度。另外，經(jīng)與 標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜對(duì)照，其符合的很好。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。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 。 39。而且氧分壓越高，所測(cè)得的極限電流值越大。 C 750 176。下一步，就是制備 LSCF 絲網(wǎng)印刷漿料?？梢钥闯?，在此溫度下， LSCF陶瓷片的晶粒發(fā)育不好。沒(méi)有雜相峰的出現(xiàn)。 （ 2）用絲網(wǎng)印刷工藝制備的氧傳感器 LNF 和 SDC 界面清晰，無(wú)分層，說(shuō)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)。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(shí)，氧在致密擴(kuò)散障礙層材料中的最大擴(kuò)散速率基本沒(méi)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(cè)得極限電流的大小。 (3) 極限電流平臺(tái)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(shí)達(dá)到極限電流值。 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。估計(jì)這與工藝有關(guān)，因?yàn)橹苽涔に囍幸尤胍一w維素來(lái)增加其粘性和使用松油醇來(lái)做為研磨劑以制備出供絲網(wǎng)印刷用的 LNF 漿料。 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。 加熱系統(tǒng) 傳感器的實(shí)際工作溫度一般低于 800℃，我們實(shí)驗(yàn)室采用 管式爐作為加熱裝置。／ min，衍射角范圍為 20176。 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(zhǎng)時(shí)間攪拌后，再加入 甘氨酸。 Ce2(CO3)3故而，氧傳感器在國(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 [53,54]。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)。離子在固體電解質(zhì)的遷移過(guò)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(shí)，該固體即為固體電解質(zhì)，但如果與 1相差很遠(yuǎn)時(shí)由于內(nèi)部混合油離子和電子遷移而成為混合導(dǎo)體。 當(dāng)前，經(jīng)過(guò)實(shí)踐的摸索和理論的進(jìn)一步深入之后，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)方案來(lái)降低固體電解質(zhì)的工作溫度。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]。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。爾后利用掃描電子顯微（ SEM）、電化學(xué)工作站對(duì)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。 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(duì)粉體物相進(jìn)行了表征。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。 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。因此，極限電流型氧傳感器是近年來(lái)研究熱點(diǎn) [21]。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。 CZ/OhmZ39。 選題的目的和意義 當(dāng)前一段時(shí)間，節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為社會(huì)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。為制得較細(xì)粉體本實(shí)驗(yàn)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。 5H2O 加入到 EDTANH3溶液中，加熱并攪拌均勻直到變?yōu)闇\黃色溶液。 以方便測(cè)量時(shí)的接線，即可得到待測(cè)的傳感器試樣。在測(cè)量通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥改變兩種氣體的配比控制傳感器的測(cè)試環(huán)境的氧分壓。其燒結(jié)后所制備的陶瓷薄片，其顯微結(jié)構(gòu)如圖 所示。 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(shí)，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。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。 (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(zhǎng)的關(guān)系。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]。為了驗(yàn)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(duì)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(shuō)明 呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，從而驗(yàn)證了之前的結(jié)論是正確的 [59]。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。而形不成致密的障礙層陶。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。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?(?