制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法
本专利技术涉及电化学氧传感器
，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。
技术介绍
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。
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，本专利技术采用的主要技术方案包括：本专利技术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。根据本专利技术，重复执行1-20次步骤S2-S4，使得致密扩散层膜坯的厚度位于5-200μm的范围内，然后执行步骤S5。根据本专利技术，步骤S1中，将致密障碍层粉末与粘结剂和溶剂混合，形成提拉浸渍液，其中，按质量比，粘结剂和溶剂整体与致密障碍层粉末的比例为2-9﹕1-7，粘结剂与溶剂的比例为1-5﹕100-125，提拉浸渍液的粘度位于10-100mPa.S的范围内。根据本专利技术，粘结剂为乙基纤维素、甲基纤维素和松香水中的一种或多种混合；溶剂为乙醇和乙二醇的混合液，按质量比，乙醇和乙二醇的比例为60-65﹕40-60。根据本专利技术，致密障碍层粉末由如下步骤制得：a1、将用于形成致密障碍层的多种硝酸盐原料分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后得到各个硝酸盐原料的水溶液；a2、将各个硝酸盐原料的水溶液混合，制得混合溶液，并加热至75-85℃，同时不断搅拌，其中，混合溶液中的金属阳离子的浓度位于0.1-0.3mol/L的范围内；a3、在75-85℃下向混合溶液中边搅拌边加入络合剂溶液，搅拌8-12min后，加入乙二醇，继续搅拌28-32min后滴加氨水，直至混合溶液的pH值调整至9时停止滴加氨水，制得溶胶凝胶前驱体，其中，络合剂溶液的质量浓度位于10-15％的范围内，氨水的质量浓度位于25-28％的范围内，形成络合剂溶液所用的络合剂与混合溶液中的金属阳离子的摩尔比为1.2﹕1，乙二醇与络合剂的摩尔比为4﹕1；a4、对溶胶凝胶前驱体进行干燥，干燥温度位于70-85℃的范围内，干燥时间位于1-28h的范围内；a5、对干燥后的溶胶凝胶前驱体进行研磨，形成致密障碍层粉末。根据本专利技术，络合剂为柠檬酸钠，络合剂溶液为柠檬酸钠溶液。根据本专利技术，用于形成致密障碍层的硝酸盐原料为La(NO3)3、Sr(NO3)2和Mn(NO3)2；或者用于形成致密障碍层的硝酸盐原料为La(NO3)3、Sr(NO3)2和Co(NO3)2；或者用于形成致密障碍层的硝酸盐原料为La(NO3)3、Fe(NO3)2和Sr(NO3)2。根据本专利技术，在步骤S6中，形成的致密扩散层的厚度小于等于100μm。根据本专利技术，步骤S2中，电解质层素坯由如下步骤制得：b1、将电解质材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，然后挤压成圆形的片状基体，片状基体的直径位于8-12mm的范围内；b2、对片状基体进行干燥，干燥温度位于50-100℃的范围内，干燥时间在20h以上；b3、对干燥后的片状基体进行烧结，烧结温度在1100-1300℃的范围内，烧结时间位于5-7h的范围内；b4、将烧结后的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b1中所采用的电解质材料粉末为YSZ粉末，YSZ粉末由如下步骤制得：c1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O﹕ZrOCl2·8H2O＝7.5-10﹕90-92.5进行配料；c2、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；c3、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0.5-1.0mol/L的范围内；c4、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％；c5、对前驱体沉淀物进行干燥，干燥温度位于65-75℃的范围内，干燥时间在24h以上；c6、对干燥后的前驱体沉淀物进行煅烧，煅烧温度在750-850℃的范围内，煅烧时间在5-7h的范围内，制得固溶体粉末；c7、对固溶体粉末进行研磨，研磨时间位于2-3h的范围内，制得YSZ粉末，YSZ粉末的粒度≤100μm。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：首先，利用提拉浸渍法形成致密扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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所述提拉浸渍液中，保持20‑90s；S3、以15‑400mm/min的速度匀速平稳地将所述电解质层素坯从所述提拉浸渍液中提起，在所述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，所述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，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，其特征在于，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所述提拉浸渍液中，保持20-90s；S3、以15-400mm/min的速度匀速平稳地将所述电解质层素坯从所述提拉浸渍液中提起，在所述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，所述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，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，其特征在于，重复执行1-20次步骤S2-S4，使得所述致密扩散层膜坯的厚度位于5-200μm的范围内，然后执行步骤S5。3.根据权利要求1所述的制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，其特征在于，步骤S1中，将致密障碍层粉末与粘结剂和溶剂混合，形成所述提拉浸渍液，其中，按质量比，所述粘结剂和所述溶剂整体与所述致密障碍层粉末的比例为2-9﹕1-7，所述粘结剂与所述溶剂的比例为1-5﹕100-125，所述提拉浸渍液的粘度位于10-100mPa.S的范围内。4.根据权利要求3所述的制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，其特征在于，所述粘结剂为乙基纤维素、甲基纤维素和松香水中的一种或多种混合；所述溶剂为乙醇和乙二醇的混合液，按质量比，乙醇和乙二醇的比例为60-65﹕40-60。5.根据权利要求3所述的制备氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的方法，其特征在于，所述致密障碍层粉末由如下步骤制得：a1、将用于形成致密障碍层的多种硝酸盐原料分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后得到各个硝酸盐原料的水溶液；a2、将所述各个硝酸盐原料的水溶液混合，制得混合溶液，并加热至75-85℃，同时不断搅拌，其中，所述混合溶液中的金属阳离子的浓度位于0.1-0.3mol/L的范围内；a3、在75-85℃下向所述混合溶液中边搅拌边加入络合剂溶液，搅拌8-12min后，加入乙二醇，继续搅拌28-32min后滴加氨水，直至混合溶液的pH值调整至9时停止滴加氨水，制得溶胶凝胶前驱体，其中，所述络合剂溶液的质量浓度位于10-15％的范围内，氨水的质量浓度位于25-28％的范围内，形成络合剂溶液所用的络合剂与所述混合溶液中的金属阳离子的摩尔比为1.2﹕1，所述乙二醇与络合剂的摩尔比为4﹕1；...

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