[发明专利]汽车氧传感器用的氧化锆基固体电解质粉料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气敏传感器制造领域，特别涉及制备汽车氧传感器关键材料之一的氧化锆基固体电解质陶瓷用的纳米级粉体材料制备方法。

技术背景

在汽车传感器应用方面，目前氧化锆型氧传感器约占整个氧传感器市场的99％，而其中又以氧化钇稳定型最为普遍。纯ZrO₂在1100℃以下为单斜相，在1100～2300℃之间为四方相，2300℃以上为立方相。在这个相变过程中，由于伴随着巨大的体积变化而导致ZrO₂的开裂，从而使纯ZrO₂失去应用价值。目前，人们一般在ZrO₂中掺入一定量的CaO、MgO、Y₂O₃或稀土氧化物，以使其立方相结构能够稳定到室温。

钇稳定立方相二氧化锆(YSZ)陶瓷是一种很好的高温(600～1000℃)氧离子导体材料，这一特点使ZrO₂主要应用于氧传感器，燃料电池，氧泵和氧化气氛中的高温加热元件等领域。

获得二氧化锆材料的方法主要有化学法和电熔法。电熔法目前已实现产业化，中国发明专利CN1088623A，CN1059704A和CN1051304A都有所述及，但是在实际应用中，都存在煅烧温度高、能耗大、作业时间长、设备运行成本高和维护困难等难题。而使用化学法制备超细YSZ粉体以及后期进行低温烧结，在工业化生产中前景广阔。目前广泛采用的工业方法是共沉淀方法，即用二氯氧化锆水溶液加入氨，得到氢氧化锆沉淀，然后过滤、洗涤、焙烧、研磨。这种方法的缺点是制得的氢氧化物沉淀难以过滤，而且焙烧产物是过硬的团块，很难制备高分散性纳米粉。为了解决上述问题，在文献J.Euro.Soc.1996，16(4)：437-440中，Gao L等人用乳浊液法制备出12～14nm的四方相ZrO₂(3Y)粉体，但是存在的问题是制备过程工艺复杂，并且需要加入污染环境的乳化剂Tween80和二甲苯有机溶剂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种工艺简单，能在低温下焙烧出不含单斜相，仅为立方相、低团聚的、可用于制备片式车用氧传感器氧化锆基固体电解质粉料及其制备方法。

本发明的技术方案是：汽车氧传感器用的氧化锆基固体电解质粉料的制备方法，工艺步骤如下：

1.称取ZrOCl₂·8H₂O后加蒸馏水配制浓度为0.8～1mol/L的ZrOCl₂水溶液，备用；

2.称取Y(NO₃)₃·6H₂O，加蒸馏水配成溶液，备用；溶液浓度换算成Y₂O₃浓度为0.02g/ml；

3.将步骤2中的按Y₂O₃摩尔数占Y₂O₃-ZrO₂总摩尔数为3％～5％的配比量取后加入到步骤1制备的ZrOCl₂水溶液中，形成混合溶液；

4.在上述混合溶液中加入其体积为3％～8％的表面活性剂聚乙二醇，然后在温度50～70℃，再加入一定体积的分散剂，加热溶解到形成均匀的混合溶液；其中，所述分散剂的加入量为按合成1克氧化锆基固体电解质粉料添加质量浓度为5％分散剂0.05ml；

5.在不断搅拌下，向步骤4制备的混合液中滴加氨水，调节PH到8～9，形成白色溶胶；

6.将上述步骤5制备的白色溶胶陈化4～6小时，形成凝胶；

7.将凝胶置于80～100℃真空烘箱中烘干1小时，然后放入马弗炉中升温到400℃保温1～2小时后，取出研磨，而后再将粉料放入马弗炉中继续升温至750～820℃焙烧15～20分钟，最后随炉冷却至室温，即可得到团聚少的纳米级、纯立方相的氧化锆基固体电解质粉料。

进一步，所述表面活性剂为聚乙二醇400。

所述分散剂为所述分散剂为草酸。

所述沉淀剂为氨水。

本发明制备氧传感器用的纳米级氧化锆基固体电解质粉体方法具有以下优势：