丝网印刷工艺对掺杂氧化铈基极限电流型6.17

1、丝网印刷工艺对掺杂氧化铈基极限电丝网印刷工艺对掺杂氧化铈基极限电流型氧传感器的性能影响流型氧传感器的性能影响 姓名：秦蒙学号：1161142129指导教师：周芬 副教授内蒙古科技大学本科生毕业论文答辩答辩提纲答辩提纲研究背景研究目的及内容实验方案实验结果与讨论结论图1 致密扩散层极限电流型氧传感器的结构研究背景汽车工业氧传感器的应用提高燃烧效率降低污染排放判断三元催化器工作情况汽车氧传感器的分类氧浓差电池型（即传统的ZrO2电压型）氧化物半导体型（TiO2氧传感器）极限电流型（电化学泵氧型）研究背景氧传感器类型氧传感器类型优点优点缺点缺点小孔限流型较宽的空燃比范围物理扩散障碍，多孔限流型响应快

2、，性能稳定孔易堵塞，变形。致密扩散障碍层型化学扩散障碍，性能稳定，结构简单制备成本高，工厂化生产仍然不现实氧传感器常用电氧传感器常用电解质材料解质材料 研究现状研究现状部分部分Y Y2 2O O3 3稳定的稳定的ZrOZrO2 2（YSZYSZ）离子电导率随工作温度降低而减小，离子电导率随工作温度降低而减小， 导致极限电流值偏小；加热器能耗高；导致极限电流值偏小；加热器能耗高；传感器预热时间长传感器预热时间长 。SmSm2 2O O3 3掺杂的掺杂的CeOCeO2 2基（基（SDC)SDC)电解质电解质 在中温下有更高的离子导电性在中温下有更高的离子导电性与多种混合导体材料有良好的化学相性。与

3、多种混合导体材料有良好的化学相性。不足：电解质与障碍层材料热膨胀系数不足：电解质与障碍层材料热膨胀系数 不匹配。不匹配。研究目的及内容研究目的及内容u研究目的连接处孔隙率较大连接处孔隙率较大材料热膨胀系数不匹配材料热膨胀系数不匹配低氧分压存在电子电导低氧分压存在电子电导u研究内容连接处孔隙率更小连接处孔隙率更小氧敏感特性更好氧敏感特性更好工艺更加简单工艺更加简单SDC中加入烧结助剂中加入烧结助剂添加电子阻塞层添加电子阻塞层微观形貌微观形貌电化学性能电化学性能氧敏性能氧敏性能氧传氧传感器感器丝网印刷丝网印刷实验方案实验方案氧传感器粉体及样品制备氧传感器粉体及样品制备本实验采用溶胶凝胶法制备了本实

4、验采用溶胶凝胶法制备了SDC电解质材料、电解质材料、LSCF和和LNF障碍层材料。障碍层材料。采用丝网印刷工艺制备了采用丝网印刷工艺制备了LSCF/SDCLSCF/SDC和和LNF/SDCLNF/SDC氧传感器，制备流程如图所示：氧传感器，制备流程如图所示：按配比称料溶解溶胶-凝胶球磨4h1250 烧结丝网印刷900处理刷铂浆，粘铂丝玻璃密封性能测试图图2 传感器制备工艺流程传感器制备工艺流程实验方案实验方案氧传感器的分析测试方法氧传感器的分析测试方法u材料性能测试材料性能测试u电化学性能测试电化学性能测试物相表征：物相表征： XRD微观结构：微观结构： SEM交流阻抗谱测试技术交流阻抗谱测试

5、技术( (EIS) )u氧敏性能测试氧敏性能测试I-V特性曲线：特性曲线：POL程序测试技术程序测试技术结果与讨论结果与讨论电解质材料的物相分析电解质材料的物相分析图图3 SDC-碳酸盐复合电解质碳酸盐复合电解质XRD图图 SDCSDC粉体加碳酸粉体加碳酸盐经盐经680680处理后，处理后，SDC-SDC-碳酸盐复合碳酸盐复合粉体形成了单相粉体形成了单相萤石结构。注：萤石结构。注：（峰形尖锐、无杂峰、（峰形尖锐、无杂峰、与标准衍射图复合较与标准衍射图复合较好。）好。）20304050607080 Intensity(a.u.)2 Theta(o)SDC-碳酸盐复合电解质结果与讨论结果与讨论障碍

6、层材料的物相分析障碍层材料的物相分析图图4 LSCF XRD图谱图谱图图5 LNF XRD图谱图谱XRD图谱特征峰明显，两种粉体经图谱特征峰明显，两种粉体经900900处理后均合成了单一斜方晶处理后均合成了单一斜方晶系的钙钛矿型结构且结晶良好。系的钙钛矿型结构且结晶良好。20304050607080 Intensity(a.u.)2 Theta(o)LaNi0.6Fe0.4O3-900C20304050607080 Intensity(a.u.)2 Theta(o)La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-900CLNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器的断面分析丝网印刷氧传感器的断面

7、分析结果与讨论(a)(b)(c)图图7 LNF/SDC 1250丝网印刷丝网印刷氧传感器的断面显微结构氧传感器的断面显微结构SEM图图a 图 SDC固体电解质材料的SEM图b 图 刷制两层LNF在SDC基片上的SEM图c 图刷制三层LNF在SDC基片上的SEM图LNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器的断面分析丝网印刷氧传感器的断面分析结果与讨论实验发现和结论 SDC陶瓷片烧结致密，晶粒生长良好刷制两层时：LNF陶瓷片的晶粒发育较为完善，晶粒间结合紧密且均匀性良好。内部仍然可以发现部分气孔。估计这与工艺有关，因为制备工艺中要加入乙基纤维素来增加其粘性和使用松油醇来做为研磨剂以制备出供丝网印

8、刷用的LNF浆料。所以，解决方案是，增设温度制度，来除去醇类和脂类杂质。刷制三层时：LNF陶瓷片晶粒发育不好，形成了类似于海绵状的结构，内部孔隙率大且蓬松。分析原因是与烧结制度有关，因为三层是三次烧成的。故第三次烧结时其内部第一层实际已经过烧。另外也与脂类和醇类物质的挥发有关图8 （刷制两层时）（刷制两层时）空气气氛中不同温度空气气氛中不同温度SDC/LNFSDC/LNF共压共烧氧传感器阻抗谱共压共烧氧传感器阻抗谱结果与讨论LNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器的电化学性能分析丝网印刷氧传感器的电化学性能分析随着测试温度的升高，氧传感器固体随着测试温度的升高，氧传感器固体电解质和总的电阻

9、都逐渐减小。电解质和总的电阻都逐渐减小。图9 （刷制四层时）（刷制四层时）空气气氛中不同温度空气气氛中不同温度SDC/LNFSDC/LNF共压共烧氧传感器阻抗谱共压共烧氧传感器阻抗谱结果与讨论LNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器的电化学性能分析丝网印刷氧传感器的电化学性能分析随着测试温度的升高，氧传感器固体电解质和总的电阻都逐渐减小。随着测试温度的升高，氧传感器固体电解质和总的电阻都逐渐减小。结果与讨论结果与讨论LNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器氧敏性能分析丝网印刷氧传感器氧敏性能分析图图11氧传感器在氧传感器在7 750时极时极限电流限电流- -氧分压输出曲线氧分压输出曲线

10、图图10 氧传感器在氧传感器在750不同氧分压下的不同氧分压下的I-V曲线曲线极限电流平台明显，线性相关系数极限电流平台明显，线性相关系数99%以上，丝网印刷氧传感器极限以上，丝网印刷氧传感器极限电流和氧分压有良好的线性关系。且随障碍层厚度增加，其极限电流电流和氧分压有良好的线性关系。且随障碍层厚度增加，其极限电流最大值减小，出现平台效果明显。最大值减小，出现平台效果明显。246810121416182022687072747678808284 Limiting Current(mA)Oxygen Partial Pressure(%)Equationy = a + b*xAdj. R-Squ

11、are0.99567a65.97371b0.83438两层LNF四层LNF结果与讨论结果与讨论LNF/SDCLNF/SDC丝网印刷氧传感器氧敏性能分析丝网印刷氧传感器氧敏性能分析两层LNF四层LNF1.31.41.51.61.71.81.92.02.42.83.23.64.04.44.85.25.66.0 logIL mAK1 T (K-1103)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.99721a8.87715b-3.22683图图12 12 氧传感器在氧传感器在(O2)=15.00%时不同温度下的时不同温度下的I-V曲线曲线图图13 氧传感器极限电流与氧传感器极

12、限电流与温度的关系温度的关系随着温度的升高，氧传感器的极限电流值随着温度的升高而随之增大，响应速度加快。随着温度的升高，氧传感器的极限电流值随着温度的升高而随之增大，响应速度加快。且随障碍层厚度增加，极限电流最大值减小、极限电流出现平台效果更加明显。且随障碍层厚度增加，极限电流最大值减小、极限电流出现平台效果更加明显。随着测试温随着测试温度的升高，度的升高，氧传感器固氧传感器固体电解质和体电解质和总的电阻都总的电阻都逐渐减小。逐渐减小。结果与讨论LSCF/SDCLSCF/SDC丝网印刷氧传感器电化学性能分析丝网印刷氧传感器电化学性能分析图图14 14 （刷制两层时）（刷制两层时）空气气氛中不同

13、温度空气气氛中不同温度SDC/LSCFSDC/LSCF丝网印刷氧传感器阻抗谱丝网印刷氧传感器阻抗谱LSCF/SDCLSCF/SDC氧传感器极限电流平台明显，线性相关系数氧传感器极限电流平台明显，线性相关系数99%99%以上。以上。比较图比较图1212和图和图1515发现：由于二者采用障碍层不同，且涂刷了不发现：由于二者采用障碍层不同，且涂刷了不同厚度的阴极，导致同厚度的阴极，导致LSCF/SDCLSCF/SDC传感器的极限电流平台效果好于传感器的极限电流平台效果好于LNF/SDCLNF/SDC；且其极限电流最大值大于；且其极限电流最大值大于LNF/SDCLNF/SDC，但均大于四层，但均大于四

14、层LNFLNF。结果与讨论LSCF/SDCLSCF/SDC丝网印刷氧传感器氧敏性能分析丝网印刷氧传感器氧敏性能分析图图15 15 氧传感器在氧传感器在750不同氧分压不同氧分压下的下的I-V曲线曲线246810121416182022687072747678808284 Limiting Current(mA)Oxygen Partial Pressure(%)Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.99567a65.97371b0.83438图图16氧传感器在氧传感器在7 750时极限时极限电流电流- -氧分压输出曲线氧分压输出曲线随着温度的升高，氧传感器的极限电

15、流值随着温度的升高而随之增大，响应速度随着温度的升高，氧传感器的极限电流值随着温度的升高而随之增大，响应速度加快。在相同测试条件下，由于阴极材料的不同以及氧传感器厚度的不同。发现：加快。在相同测试条件下，由于阴极材料的不同以及氧传感器厚度的不同。发现：LSCF/SDCLSCF/SDC极限电流值大于极限电流值大于LNF/SDCLNF/SDC（两层），但是均大于（两层），但是均大于LNF/SDCLNF/SDC（四层）。且（四层）。且极限电流平台效果不好，相关系数为极限电流平台效果不好，相关系数为98%98%小于之前小于之前99%99%。由此，推断可能由于工。由此，推断可能由于工艺或者其他原因未使限

16、制住极限电流。艺或者其他原因未使限制住极限电流。结果与讨论LSCF/SDCLSCF/SDC丝网印刷氧传感器氧敏性能分析丝网印刷氧传感器氧敏性能分析0.951.001.051.101.151.201.252.822.842.862.882.902.922.942.96 logIL mAK1/T/K-1103Equationy = a + b*xAdj. R-Square0.98186a3.45435b-0.5194图图1717氧传感器在氧传感器在(O2)=15.00%时不同温时不同温度下的度下的I-V曲线曲线图图18 18 氧传感器极限电流与温度的关系氧传感器极限电流与温度的关系从图中看出，相比

17、较未加入电子阻碍材料前的响应时间有所减小。分析原因：一个相比较是尺寸减小，导致电阻减小;另一个是电子导电的影响被削弱，固体电解质的离子电导与氧离子迁移更加精确对应。所以响应时间加快。因此，说明了本类型极限电流氧传感器检测高氧体积分数时有较好优势。结果与讨论LSCF/SDCLSCF/SDC丝网印刷氧传感器内加入电子阻碍材料后氧丝网印刷氧传感器内加入电子阻碍材料后氧传感器的响应时间传感器的响应时间结论结论SDC添加碳酸盐经添加碳酸盐经680680处理后烧结温度降低了处理后烧结温度降低了350，使丝网，使丝网印刷工艺制备氧传感器成为可能。印刷工艺制备氧传感器成为可能。SDC/LNF和和SDC/LSC

18、F丝网印刷丝网印刷氧传感器，测试获得了良好的氧传感器，测试获得了良好的极限电流平台，极限电流与氧分压呈较好的线性关系。并且极限极限电流平台，极限电流与氧分压呈较好的线性关系。并且极限电流与温度线性相关。电流与温度线性相关。SDC/LNF不同厚度丝网印刷不同厚度丝网印刷制备的氧传感器，虽均能出现较好制备的氧传感器，虽均能出现较好的极限电流平台。但是其极限电流最大值不同，且极限电流平台的极限电流平台。但是其极限电流最大值不同，且极限电流平台的效果也不一致。分析认为障碍层厚度太薄，即无法限制住极限的效果也不一致。分析认为障碍层厚度太薄，即无法限制住极限电流。另，由测试数据分析也可得出结论。即使障碍层材料不同，电流。另，由测试数据分析也可得出结论。即使障碍层材料不同，但是其不同厚度的