氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法技术

本发明专利技术涉及电化学氧传感器技术领域，尤其涉及氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法。本发明专利技术所提供的制备方法，是采用电泳沉积方式形成电解质层和致密扩散层双层结构，并且是先形成电解质层和致密扩散层中的一个的素坯，然后在这个素坯上电泳沉积另一层。该制备方法能够制备出的电解质层和致密扩散层双层结构不会容易出现裂纹、且适用于大规模生产。

Preparation method of electrolyte layer and dense diffusion layer double-layer structure for oxygen sensor

The invention relates to the technical field of electrochemical oxygen sensors, in particular to a method for preparing an electrolyte layer and a compact diffusion layer bilayer structure for oxygen sensors. The preparation method provided by the invention is formed by electrophoretic deposition electrolyte layer and the dense diffusion layer is formed and a double-layer structure, first electrolyte layer and dense diffusion layer in a blank, and then in the electrophoretic deposition blank, another layer of. The preparation method can prepare the double layer structure of the electrolyte layer and the dense diffusion layer, and is not easy to crack and is suitable for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法
本专利技术涉及电化学氧传感器
，尤其涉及氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法。
技术介绍
近年来随着汽车、石油、钢铁等行业的迅猛发展，能源短缺和环境污染的日益严重，提高工业炉窑(如热处理炉、锅炉等)燃料利用率和控制汽车尾气排放与油耗已成为当务之急，其关键环节是使空燃比(Air-to-Fuel，A/F)合理。实现上述目标的一种有效方法是利用电化学氧传感器，在线检测尾气中的氧含量，为操作人员或控制系统提供可靠数据。电化学氧传感器越来越受人们的关注，浓差电势型氧传感器由于存在贫燃区控制不灵敏等缺点，使得氧电化学传感器由浓差电势型向应用更广、响应更灵敏、寿命更长的极限电流型发展。极限电流型氧传感器分为小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型，其中，小孔型和多孔型由于造价昂贵，经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞的原因影响了小孔型和多孔型极限电流性氧传感器在实际生产和生活中的应用。致密扩散障碍层极限电流型氧传感器由于采用了氧离子-电子混合导体作为致密扩散障碍层，能够克服孔隙堵塞的问题，工作性能更加稳定、响应时间更灵敏、寿命更长。致密扩散障碍层极限电流型氧传感器作为一类新型氧传感器，近年来获得了突飞猛进的发展，对它的研究已成为热点，其剖面结构示意图如图1所示，其由正负铂电极、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)和高温密封玻璃粉组成。国内外学者深入研究了致密扩散障碍层极限电流型氧传感器，分别利用磁控溅射、丝网印刷成膜(厚膜涂覆)、放电等离子烧结、共压共烧结和瓷片复合等方法制备致密扩散障碍层极限电流型氧传感器。其中，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备极限电流性氧传感器，在SPS烧结过程容易因致密扩散障碍层的材料和固体电解质层的材料不匹配而导致烧结体裂开，因此影响测氧性能。采用共压共烧结法制备氧传感器，由于致密扩散障碍层的材料和固体电解质层的材料的热膨胀系数以及烧结收缩率均不匹配，而导致烧结体在共烧结过程中出现裂纹，影响氧离子在传感器中的扩散。采用瓷片复合法制备氧传感器，测氧性能良好，但是该法制备周期长、过程繁琐，而且常规烧结中制备的致密扩散障碍层含有较多气孔，不利于大规模生产。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，由该制备方法制备出的电解质层和致密扩散层双层结构不会容易出现裂纹、且适用于大规模生产。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：本专利技术提供一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，包括如下步骤：S1、制备电解质层素坯；S2、将电解质层素坯涂覆在阴极上，将带有电解质层素坯的阴极浸入具有致密扩散层粉末的悬浮液中，然后进行电泳沉积，以在电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，其中，悬浮液中致密扩散层粉末的浓度位于20-200g/l的范围内，电场强度位于10-50V/cm的范围内，沉积次数为2-10次，每次沉积时间位于10-50s的范围内，致密扩散层素坯的厚度位于15-85μm的范围内；S3、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行干燥，干燥温度位于50-80℃的范围内，干燥时间在24h以上；S4、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行烧结，烧结温度位于1100-1500℃的范围内，烧结时间位于4-7h的范围内；S5、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。根据本专利技术，在步骤S2中，致密扩散层粉末的浓度为100g/l，电场强度位于18-20V/cm的范围内，沉积次数为5-8次，每次沉积时间位于11-13s的范围内，致密扩散层素坯的厚度位于40-45μm的范围内。根据本专利技术，在步骤S3中，干燥温度为80℃，干燥时间为24h。根据本专利技术，在步骤S4中，烧结温度位于1300-1500℃，烧结时间位于4-6h的范围内。根据本专利技术，步骤S1包括如下子步骤：S1.1、将电解质层原料粉末与乙基纤维素、甲基纤维素和松香水中的一种或多种混合，然后挤压成圆形的电解质层片状基体，电解质层片状基体的厚度位于15-85μm的范围内，直径位于10-15mm的范围内；S1.2、对电解质层片状基体进行干燥，干燥温度位于50-100℃的范围内，干燥时间在20h以上；S1.3、对干燥后的电解质层片状基体进行烧结，烧结温度在1200-1500℃的范围内，烧结时间位于4-10h的范围内；S1.4、将烧结后的电解质层片状基体冷却至室温，形成电解质层素坯。根据本专利技术，步骤S1.1中所采用的电解质层原料粉末为YSZ粉末或LSGM粉末；其中，YSZ粉末由如下步骤制得：a1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O﹕ZrOCl2·8H2O＝(6.5-10)﹕(93.5-90)进行配料；a2、将Y(NO3)3·6H2O和Y(NO3)3·6H2O分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后制得Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液；a3、将Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液混合，制得混合溶液，混合溶液的摩尔浓度位于0.6-1.1mol/L的范围内；a4、向混合溶液中边搅拌边滴加氨水，直至混合溶液的pH值达到9时停止滴加氨水，制得前驱体沉淀物，其中，氨水的浓度位于25-28wt％；a5、对前驱体沉淀物进行干燥，干燥温度位于60-80℃的范围内，干燥时间在20h以上；a6、对干燥后的前驱体沉淀物进行煅烧，煅烧温度在600-1600℃的范围内，煅烧时间在6-7h的范围内，制得固溶体粉末；a7、对固溶体粉末进行研磨，研磨时间位于2-4h的范围内，制得YSZ粉末，YSZ粉末的粒度≤100μm；其中，LSGM粉末由如下步骤制成：a1、将La2O3粉末和MgO粉末分别在900-1100℃下煅烧10h；a2、分别称量La2O3粉末、SrCO3粉末、Ga2O3粉末和MgO粉末，其中，各原料的取值之间的关系为按照摩尔比La﹕Sr﹕Ga﹕Mg﹕O＝0.8﹕0.2﹕0.83﹕0.17﹕2.815；a3、将称量好的La2O粉末、SrCO3粉末、Ga2O3粉末和MgO粉末混合形成混合粉末，然后研磨至混合粉末的粒度≤100μm；a4、对研磨后的混合粉末进行烘干，烘干温度位于90-100℃的范围内，烘干时间位于4-5h的范围内；a5、压制烘干后的混合粉末，形成一级素坯；a6、对一级素坯进行烧结，烧结温度位于950-1000℃的范围内，烧结时间为20h以上；a7、对烧结后的一级素坯进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成一级粉料；a8、压制一级粉料，形成二级素坯；a9、对二级素坯进行烧结，烧结温度位于1100-1300℃的范围内，烧结时间为20h以上；a10、对烧结后的二级素坯进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成二级粉料；a11、将二级粉料与丙三醇混合均匀，然后进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成三级粉料；a12、压制三级粉料，形成三级素坯；a13、对三级素坯进行烧结，烧结温度位于1400-1500℃的范围内，烧结时间为20h以上；a14、对烧结后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备电解质层素坯；S2、将所述电解质层素坯涂覆在阴极上，将带有电解质层素坯的阴极浸入具有致密扩散层粉末的悬浮液中，然后进行电泳沉积，以在所述电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，其中，所述悬浮液中致密扩散层粉末的浓度位于20‑200g/l的范围内，电场强度位于10‑50V/cm的范围内，沉积次数为2‑10次，每次沉积时间位于10‑50s的范围内，所述致密扩散层素坯的厚度位于15‑85μm的范围内；S3、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行干燥，干燥温度位于50‑80℃的范围内，干燥时间在24h以上；S4、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行烧结，烧结温度位于1100‑1500℃的范围内，烧结时间位于4‑7h的范围内；S5、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，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。

【技术特征摘要】
1.一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备电解质层素坯；S2、将所述电解质层素坯涂覆在阴极上，将带有电解质层素坯的阴极浸入具有致密扩散层粉末的悬浮液中，然后进行电泳沉积，以在所述电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，其中，所述悬浮液中致密扩散层粉末的浓度位于20-200g/l的范围内，电场强度位于10-50V/cm的范围内，沉积次数为2-10次，每次沉积时间位于10-50s的范围内，所述致密扩散层素坯的厚度位于15-85μm的范围内；S3、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行干燥，干燥温度位于50-80℃的范围内，干燥时间在24h以上；S4、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行烧结，烧结温度位于1100-1500℃的范围内，烧结时间位于4-7h的范围内；S5、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，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。2.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述致密扩散层粉末的浓度为100g/l，所述电场强度位于18-20V/cm的范围内，所述沉积次数为5-8次，每次沉积时间位于11-13s的范围内，所述致密扩散层素坯的厚度位于40-45μm的范围内。3.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述干燥温度为80℃，所述干燥时间为24h。4.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述烧结温度位于1300-1500℃，所述烧结时间位于4-6h的范围内。5.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：S1.1、将电解质层原料粉末与乙基纤维素、甲基纤维素和松香水中的一种或多种混合，然后挤压成圆形的电解质层片状基体，所述电解质层片状基体的厚度位于15-85μm的范围内，直径位于10-15mm的范围内；S1.2、对所述电解质层片状基体进行干燥，干燥温度位于50-100℃的范围内，干燥时间在20h以上；S1.3、对干燥后的电解质层片状基体进行烧结，烧结温度在1200-1500℃的范围内，烧结时间位于4-10h的范围内；S1.4、将烧结后的电解质层片状基体冷却至室温，形成所述电解质层素坯。6.根据权利要求5所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，步骤S1.1中所采用的电解质层原料粉末为YSZ粉末或LSGM粉末；其中，所述YSZ粉末由如下步骤制得：a1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O﹕ZrOCl2·8H2O＝(6.5-10)﹕(93.5-90)进行配料；a2、将Y(NO3)3·6H2O和Y(NO3)3·6H2O分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后制得Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液；a3、将所述Y(NO3)3水溶液和所述ZrOCl2水溶液混合，制得混合溶液，所述混合溶液的摩尔浓度位于0.6-1.1mol/L的范围内；a4、向所述混合溶液中边搅拌边滴加氨水，直至所述混合溶液的pH值达到9时停止滴加氨水，制得前驱体沉淀物，其中，所述氨水的浓度位于25-28wt％；a5、对所述前驱体沉淀物进行干燥，干燥温度位于60-80℃的范围内，干燥时间在20h以上；a6、对干燥后的前驱体沉淀物进行煅烧，煅烧温度在600-1600℃的范围内，煅烧时间在6-7h的范围内，制得固溶体粉末；a7、对所述固溶体粉末进行研磨，研磨时间位于2-4h的范围内，制得所述YSZ粉末，所述YSZ粉末的粒度≤100μm；其中，所述LSGM粉末由如下步骤制成：a1、将La2O3粉末和MgO粉末分别在900-1100℃下煅烧10h；a2、分别称量La2O3粉末、SrCO3粉末、Ga2O3粉末和MgO粉末，其中，各原料的取值之间的关系为按照摩尔比La﹕Sr﹕Ga﹕Mg﹕O＝0.8﹕0.2﹕0.83﹕0.17﹕2.815；a3、将称量好的La2O粉末、SrCO3粉末、Ga2O3粉末和MgO粉末混合形成混合粉末，然后研磨至混合粉末的粒度≤100μm；a4、对研磨后的混合粉末进行烘干，烘干温度位于90-100℃的范围内，烘干时间位于4-5h的范围内；a5、压制烘干后的混合粉末，形成一级素坯；a6、对所述一级素坯进行烧结，烧结温度位于950-1000℃的范围内，烧结时间为20h以上；a7、对烧结后的一级素坯进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成一级粉料；a8、压制所述一级粉料，形成二级素坯；a9、对所述二级素坯进行烧结，烧结温度位于1100-1300℃的范围内，烧结时间为20h以上；a10、对烧结后的二级素坯进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成二级粉料；a11、将所述二级粉料与丙三醇混合均匀，然后进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，形成三级粉料；a12、压制所述三级粉料，形成三级素坯；a13、对所述三级素坯进行烧结，烧结温度位于1400-1500℃的范围内，烧结时间为20h以上；a14、对烧结后的三级素坯进行研磨，直至研磨形成的粉末的粒度≤100μm，获得所述LSGM粉末。7.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，所述致密扩散层的厚度位于35-40μm的范围内，所述电解质层的厚度位于60-65μm的范围内。8.一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制备致密扩散层素坯；S2、将所述致密扩散层素坯涂覆在阴极上，将带有致密扩散层素坯的阴极浸入具有电解质层粉末的悬浮液中，然后进行电泳沉积，以在所述致密扩散层素坯上形成电解质层素坯，其中，所述悬浮液中电解质层粉末的浓度位于20-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，金宏斌，张小芳，王相南，王成，于景坤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21