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《华中科技大学》 2007年
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平板式氧化锆汽车氧传感器技术基础研究

任继文  
【摘要】: 目前,平板式ZrO_2汽车氧传感器由于尺寸小,响应快,能耗低,易集成,在恶劣环境下工作稳定等优点成为汽车尾气控制的主流氧传感器,本文围绕氧传感器的制备工艺流程所涉及的粉体制备、成型烧结、器件制备与测试、材料表征等技术,展开以下相关技术基础研究,主要内容如下: 采用适合于工业生产的化学共沉淀方法制备了掺杂8mol% Y_2O_3全稳定氧化锆超细粉(8YSZ),应用激光粒度分析仪、热重-差热分析(TG-DTG)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对粉体进行了表征,研究了粉体制备过程中团聚形成的机理,讨论了溶液浓度、pH值、沉淀方式、沉淀温度、洗涤方式、表面改性和煅烧温度等工艺参数对粉体粒度分布的影响,并总结出各工艺参数的合理值。 基于球形气孔模型建立了烧结中期和后期的显微结构模型,推导出了固相烧结中期和后期的致密化方程。选择粉体粒度与团聚程度不同的8YSZ粉体,对其进行干压成型、无压烧结实验。结合致密化方程,改变烧结工艺参数,测试烧结瓷体微观形貌、密度及收缩率等性能指标,阐述了烧结温度、粉体粒度、素坯密度和团聚等因素对瓷体致密度的影响。利用晶粒生长动力学,结合实验结果研究了陶瓷单相系统晶粒正常生长的规律,以及烧结温度、掺杂第二相Al_2O_3和素坯中气孔尺寸分布对8YSZ瓷体晶粒尺寸的影响,得到了获得致密8YSZ瓷体的合理烧结工艺。 以La_2O_3, MnO_2和SrCO_3为原料,通过固相反应合成制备了混合导体材料La1-xSrxMnO_3(LSM)。通过分析得到LSM反应合成机理为:反应过程先是La_2O_3+SrCO_3→La2SrOx+CO_2,然后为La_2O_3+MnO_2→LaMnO_3,最后发生La2SrOx和LaMnO_3向La1-xSrxMnO_3转化,获得要求的产物。采用铂浆粘结法,制备了致密扩散障极限电流氧传感器,解决了小孔和多孔型极限电流型氧传感器长期使用时容易造成小孔堵塞,变形等问题。研制了测试系统,测试结果显示:这种传感器在0~21%的全氧浓度范围内都能得到很好的极限电流平台,而且电流与氧浓度有很好的线性关系,所制得的传感器内阻低,输出电流大,氧测量范围宽。 研究了利用氧化铈的储氧特性来制备氧浓差型氧传感器,克服了传统浓差型氧传感器制作工艺复杂、成本高、不便于微型化的缺点。并利用添加锆和钇形成铈锆复合固溶体氧化物(CZO)和铈锆钇复合固溶体氧化物(CZYO)来改善其氧储能力(OSC),采用共沉淀法制备了CZO和CZYO体系储氧材料,研究了老化温度对其相结构、比表面积及氧储能力的影响。利用事先配制好的不同空燃比的混合气体模拟尾气对制作的传感器进行测试,结果显示:输出电势不像传统氧浓差型氧传感器为1000~100mv,贫燃时,输出电势为负,富燃时,输出电势为正。 设计了一种带致密扩散障的厚膜极限电流氧传感器结构,采用有限元方法对加热器进行了优化设计,并进行热传导分析和热应力分析,设计结果显示:设计的传感器响应快、热应力低以及温度分布均匀,该设计、建模方法可以应用于同类电子产品的设计。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U464.13

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