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，是在电解质层胚体上采用冷喷涂法或真空冷喷涂法形成致密扩散层，或者是在致密扩散层胚体上采用冷喷涂法或真空冷喷涂法形成电解质层。该制备方法制备出的电解质层和致密扩散层双层结构中电解质层和致密扩散层的结合强度高，致密度高，气孔少。

【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
电化学氧传感器在检测氧含量中的应用越来越受到人们的关注，电化学氧传感器主要包含浓差电池型氧传感器和极限电流型氧传感器。其中，浓差电池型氧传感器存在贫燃区控制不灵敏等缺点，因此，应用更广、响应更灵敏、寿命更长的极限电流型氧传感器备受关注。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，小孔型和多孔型存在造价昂贵、经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞等缺陷。相比较，致密扩散障碍层型由于采用了氧离子-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的剖面结构示意图如图1所示，此种氧传感器通常包括正负铂电极、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)和高温密封玻璃釉。致密扩散障碍层极限电流型氧传感器可利用放电等离子烧结、共压共烧结和瓷片复合等方法制备。其中，利用放电等离子烧结(SPS)技术，在烧结过程容易因致密扩散层的材料和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。利用共压共烧结法，因致密扩散层的材料和电解质层的材料的热膨胀系数和烧结收缩率均不匹配，而容易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。利用瓷片复合法，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中电解质层和致密扩散层的结合强度高，致密度高、气孔少。(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：本专利技术一方面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：步骤一、制备电解质层胚体；步骤二、采用冷喷涂工艺，利用压缩载气作为加速介质，带动致密扩散层粉末与工作气混合后在固态下以800-1200m/s以上的速度碰撞电解质层胚体，在电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，二者构成双层结构；步骤三、对双层结构进行烧结；步骤四、将烧结后的双层结构冷却至室温，其中冷却后的致密扩散层胚体形成致密扩散层，冷却后的电解质层胚体形成电解质层，致密扩散层和电解质层彼此叠置且相连，形成由电解质层和致密扩散层组成的双层结构。根据本专利技术，在步骤二中，致密扩散层粉末的粒径为5-50μm；在步骤二中，冷喷涂工艺的条件为：载气和工作气均为空气，载气压力和工作气压力均位于1.5-3.5Mpa的范围内，载气的温度和工作气的温度均位于300-400℃的范围内；送粉率为50-150g/min，喷涂距离为10-30mm；喷涂角度为70-90°。根据本专利技术，在步骤三中，烧结温度为1000-1600℃。本专利技术另一方面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：步骤一、制备致密扩散层胚体；步骤二、采用冷喷涂工艺，利用压缩载气作为加速介质，带动电解质层粉末与工作气混合后在固态下以800-1200m/s以上的速度碰撞致密扩散层胚体，在致密扩散层胚体上形成电解质层胚体，二者构成双层结构；步骤三、对双层结构进行烧结；步骤四、将烧结后的双层结构冷却至室温，其中冷却后的致密扩散层胚体形成致密扩散层，冷却后的电解质层胚体形成电解质层，致密扩散层和电解质层彼此叠置且相连，形成由电解质层和致密扩散层组成的双层结构。根据本专利技术，在步骤二中，电解质层粉末的粒径为5-50μm；在步骤二中，冷喷涂工艺的条件为：载气和工作气均为空气，载气压力和工作气压力均位于1.5-3.5Mpa的范围内，载气的温度和工作气的温度均位于300-400℃的范围内；送粉率为50-150g/min，喷涂距离为10-30mm；喷涂角度为70-90°。根据本专利技术，在步骤三中，烧结温度为1000-1600℃。本专利技术再一方面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：步骤一、制备电解质层胚体；步骤二、采用真空冷喷涂工艺，喷枪的喷嘴和电解质层胚体均位于真空环境中，将粒径为0.5-2.0μm的致密扩散层粉末与载气混合后以650-800m/s以上的速度碰撞电解质层胚体，在电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，二者构成双层结构。根据本专利技术，在步骤二中，真空冷喷涂工艺的条件为：真空环境的真空度为0.2-1.0Pa；载气为空气，空气压力为0.6-0.9Mpa，空气的温度为300-400℃；送粉率为50-150g/min，喷涂距离为12-30mm；喷涂角度为70-90°。本专利技术再一方面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：步骤一、制备致密扩散层胚体；步骤二、采用真空冷喷涂工艺，喷枪的喷嘴和致密扩散层胚体均位于真空环境中，将粒径为0.5-2.0μm的电解质层粉末与载气混合后以650-800m/s以上的速度碰撞致密扩散层胚体，在致密扩散层胚体上形成电解质层胚体，二者构成双层结构。根据本专利技术，在步骤二中，冷喷涂工艺的条件为：真空环境的真空度为0.2-1.0Pa；载气为空气，空气压力为0.6-0.9Mpa，空气的温度为300-400℃；送粉率为50-150g/min，喷涂距离为12-30mm；喷涂角度为70-90°。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术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中，采用冷喷涂法在电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，或在致密扩散层胚体上形成电解质层胚体，该方法在喷涂时喷涂均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，同时致密度高，气孔少，适用于大规模生产。本专利技术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中，采用真空冷喷涂法在电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，或在致密扩散层胚体上形成电解质层胚体，该方法在喷涂时喷涂均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，同时致密度高，气孔少。此外，采用真空冷喷法无需烧结，且载气的温度和粉末颗粒的速度要求低，制备简单，节约能源，适用于大规模生产。附图说明图1为现有技术中致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的结构示意图；图2为如下实施例1提供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的流程图；图3为如下实施例1所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的SEM图；图4为传统烧结工艺制得的双层结构的截面的SEM图；图5为一致密扩散障碍型极限电流型氧传感器的测氧I-V曲线，该致密扩散障碍型极限电流型氧传感器包含如下实施例1所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构。图6为如下实施例2所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的SEM图；图7为实施例3提供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的流程图；图8为如下实施例5提供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的流程图；图9为如下实施例5所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的SEM图；图10为如下实施例6本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：步骤一、制备电解质层胚体；步骤二、采用冷喷涂工艺，利用压缩载气作为加速介质，带动致密扩散层粉末与工作气混合后在固态下以800‑1200m/s以上的速度碰撞所述电解质层胚体，在所述电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，二者构成双层结构；步骤三、对所述双层结构进行烧结；步骤四、将烧结后的双层结构冷却至室温，其中冷却后的致密扩散层胚体形成致密扩散层，冷却后的电解质层胚体形成电解质层，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成由电解质层和致密扩散层组成的双层结构。

【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：步骤一、制备电解质层胚体；步骤二、采用冷喷涂工艺，利用压缩载气作为加速介质，带动致密扩散层粉末与工作气混合后在固态下以800-1200m/s以上的速度碰撞所述电解质层胚体，在所述电解质层胚体上形成致密扩散层胚体，二者构成双层结构；步骤三、对所述双层结构进行烧结；步骤四、将烧结后的双层结构冷却至室温，其中冷却后的致密扩散层胚体形成致密扩散层，冷却后的电解质层胚体形成电解质层，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成由电解质层和致密扩散层组成的双层结构。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，在所述步骤二中，所述致密扩散层粉末的粒径为5-50μm；在所述步骤二中，冷喷涂工艺的条件为：载气和工作气均为空气，载气压力和工作气压力均位于1.5-3.5Mpa的范围内，载气的温度和工作气的温度均位于300-400℃的范围内；送粉率为50-150g/min，喷涂距离为10-30mm；喷涂角度为70-90°。3.根据权利要求1或2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，在所述步骤三中，所述烧结温度为1000-1600℃。4.一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：步骤一、制备致密扩散层胚体；步骤二、采用冷喷涂工艺，利用压缩载气作为加速介质，带动电解质层粉末与工作气混合后在固态下以800-1200m/s以上的速度碰撞所述致密扩散层胚体，在所述致密扩散层胚体上形成电解质层胚体，二者构成双层结构；步骤三、对所述双层结构进行烧结；步骤四、将烧结后的所述双层结构冷却至室温，其中冷却后的致密扩散层胚体形成致密扩散层，冷却后的电解质层胚体形成电解质层，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成由电解质层和致密扩散层组成的双层结构。5.根据权利要求4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，在所述步骤二中，所述电解质层粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，王相南，莫扬成，易茂义，李静云，于景坤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21