● 摘要
为了控制汽车尾气中有害气体的排放，提高燃油效率，氧传感器已经成为汽车中必备的部件。而片式氧传感器以其反应灵敏，集成化程度高，有利于小型化和规模生产等优点，必将成为了汽车氧传感器的主流形式。现有的片式氧传感器采用流延的方法制作基片，丝网印刷上电极，再多元共烧制传感单元。其中，流延法制作多层陶瓷坯体、共烧的方法工艺复杂，所用铂电极价格昂贵，易受汽车尾气中的有害物质影响，导致中毒。本研究以干压法成型，烧结后粘接制备基体，并利用铂修饰La1-xSrxMnO3（LSM）氧化物做电极，制作氧传感器元件。 首先，对LSM和Y2O3稳定ZrO2（YSZ）的制备烧结工艺进行了探讨。在980℃下预烧，1350℃下，Sr含量为30mol%时取得电性能最好，成分为单一的钙钛矿成分；研究烧结温度和表面气孔率之间的关系表明，1400～1550℃范围内，烧结温度越高，烧结陶瓷片越致密，气孔率越小，结合实验条件，选取在1500℃烧结保温2h为最佳烧结工艺。LSM是以电子导电为主的电子和氧离子混合导体，它具有价格便宜，与YSZ热膨胀系数匹配，高温稳定性好等特点，在YSZ表面丝网印刷LSM粉料，高温烧结制备LSM厚膜电极，经铂表面修饰电极后可以提高其催化性能。这种方法减少了铂的用量，提高了电极高温稳定性，并保持了元件的氧敏信号。对于LSM致密扩散层的电流型氧传感器，在YSZ的一侧，LSM既作为阴极和致密扩散层；在另一侧，作为阳极。LSM作为阴极材料，在固体电解质燃料电池（SOFC）中已广泛采用，而LSM作为阳极尚未见报道，主要是因为阳极的还原环境对LSM的高温稳定性破坏。而氧传感器中，没有这样的强还原环境，本文就此进行了尝试。 扩散层和YSZ片采取了多种方法粘接，包括金属浆料热处理粘接，LSM粉料粘结，釉料粘接和多元共烧等方法，取得了比较理想的粘接效果，通过SEM和EDS分析了扩散层和YSZ基体的界面微观形貌和元素扩散情况。利用在自行搭建的氧敏测试平台上，测试氧传感器元件随气氛中的氧气含量变化的伏安特性曲线，探讨了不同粘接方法对氧敏信号的影响。并对比测试了无扩散层是YSZ随氧气浓度变化的伏安特性曲线。为了开发实用化程度更高的氧传感器，在研究中还探讨了釉料封装，导线引出，导气槽制作，绝缘层安装和组装等方面制作方法。