[发明专利]制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法

说明书

本发明涉及电化学氧传感器技术领域，尤其涉及制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，包括如下步骤：制备提拉浸渍液；将电解质层素坯浸入提拉浸渍液中；从提拉浸渍液中提起电解质层素坯，在其上形成液膜；对带有液膜的电解质层素坯进行干燥，形成致密扩散层膜坯；对带有致密扩散层膜坯的电解质层素坯进行烧结，形成致密扩散层素坯；将带有致密扩散层素坯的电解质层素坯冷却至室温，形成致密扩散层和电解质层，二者彼此叠置且相连形成双层结构。上述方法制得的致密扩散层的组织致密均匀、无气孔、致密扩散层与电解质层的结合强度高、不容易出现裂纹且制备过程简单，制成的氧传感器的测氧范围、稳定性和重现性得到提高。

技术领域

本发明涉及电化学氧传感器技术领域，尤其涉及制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法。

背景技术

极限电流氧传感器被广泛运用于汽车、能源、冶金等领域。依据工作原理的不同，氧传感器可被分为浓差电池型和极限电流型两种，极限电流型氧传感器具有测量范围广、响应时间短、灵敏度高、寿命长、无需参比气体等优点。目前，极限电流型氧传感器可以分为三个类型：小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型。其中，小孔型造价昂贵而易堵塞变形；多孔型虽然制备相对简单，但孔隙率难以控制，长期使用会导致透气性恶化，从而影响传感器的性能和使用寿命，因此在实际应用中小孔型和多孔型极限电流型氧传感器受到了限制。采用混合导体作为致密扩散障碍层的氧传感器可以克服小孔型和多孔型的不足之处。因此近年来，致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的研究和应用已成为目前的热点，其剖面结构示意图如图1所示，其组成包括正负电极、致密扩散障碍层(简称致密扩散层)、固体电解质层(简称电解质层)和高温密封玻璃釉。

国内外研究工作者对极限电流型氧传感器中的致密扩散障碍层的制备方法进行了诸多研究工作，比如，通过利用磁控溅射、丝网印刷成膜(厚膜涂覆)、共压共烧结、放电等离子烧结和瓷片复合等方法。其中，由于氧离子迁移率较高，磁控溅射法制备的致密扩散障碍层厚度又很薄，导致氧传感器测氧范围较窄；而采用的丝网印刷成膜技术虽增加了致密扩散障碍层的厚度，但在高温烧结过程中浆料中的有机物会造成许多微孔，导致致密扩散障碍层的致密度降低。共压共烧结法中，因致密扩散层与电解质层的热膨胀系数、烧结收缩率不匹配，会导致烧结体在共烧结过程中出现裂纹，影响氧离子的扩散。采用放电等离子烧结(SPS)技术中，由于致密扩散层在SPS烧结工程中易被C还原，致密扩散层与电解质层的热膨胀系数不匹配会引起烧结体开裂，因此测氧性能不理想。瓷片复合法制备方式能够获得较好的测氧特性，然而该法制备过程繁琐、周期长，而且常规烧结法制备的致密扩散障碍层含有较多气孔，导致致密扩散障碍层的致密度降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，其中致密扩散层的组织致密均匀、无气孔、致密扩散层与电解质层的结合强度高、不容易出现裂纹且制备过程简单，并且由该双层结构构成的氧传感器的测氧范围、稳定性和重现性均能够得到提高。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，包括如下步骤：S1、制备用于形成致密扩散层的提拉浸渍液；S2、将电解质层素坯浸入提拉浸渍液中，保持20-90s；S3、以15-400mm/min的速度匀速平稳地将电解质层素坯从提拉浸渍液中提起，在电解质层素坯上形成液膜；S4、对带有液膜的电解质层素坯进行干燥，形成位于电解质层素坯上的致密扩散层膜坯，其中，干燥温度位于70-90℃的范围内；S5、对带有致密扩散层膜坯的电解质层素坯进行烧结，烧结温度位于1200-1600℃的范围内，烧结时间位于5-30h的范围内，烧结后，致密扩散层膜坯形成致密扩散层素坯；S6、将带有致密扩散层素坯的电解质层素坯冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层，冷却后的电解质层素坯形成电解质层，致密扩散层和电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。