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共压共烧结法制备极限电流氧传感器及氧敏性能测试 谢贵久，季惠明，丁磊 天津大学材料学院，天津（300072 ） E-mail ：xieguijiu@ 摘 要：利用共压共烧结法，制备出了以8mol%Y O 稳定的ZrO 为固体电解质基体材料， 2 3 2 以La0.8Sr0.2MnO3 为致密扩散障碍层的极限电流氧传感器。扩散障碍层与电解质共压、一次 烧结，结合紧密；该传感器随着外加电压的升高，极限电流平台易出现且明显而平坦，能够 很好的检测出宽氧浓度范围（0-21% ）。本文制备工艺简单，传感器响应快，工作稳定，成 本低廉，线性度高等优点，有较大的应用前景。 关键词：极限电流，YSZ ，LSM ，氧传感器，共压共烧结 中图分类号：TQ174.758 ， O646.1 1. 引 言 随着汽车工业的飞速发展，汽车发动机燃料的不完全燃烧，汽车尾气中的有害物对人类 赖以生存的大气环境造成严重污染，也造成了能源的极大浪费。用氧传感器能够很好地测定 燃烧时汽车尾气中的氧含量，并以此判明燃烧室的空燃比 A/F ，再通过微机系统进行自动调 控，可达到节能和减少污染的双重目的。 [1] 目前使用最多的是 ZrO2 浓差型氧传感器，但寿命短、需参比气体 ；还有两种极限电 流传感器（小孔型和多孔型），但长时间使用小孔易阻塞、多孔的孔隙率难以控制，长时间 [2] [3] [4] 使用透气率会发生很大变化 。近年来，Ferando ,夏辉等人 分别采用不同的工艺，利用 LSM 等作为扩散障层，制备出了致密扩散障碍层极限电流型氧传感器。该类型氧传感器具 有可检测氧浓度范围宽，响应时间快，结构简单紧凑，不用参比气体，经久耐用等优点。本 文采用 La0.8Sr0.2MnO3 作为扩散障碍层材料，共压共烧结的方法简单而成功的制备出了极限 电流型氧传感器，并用自制的仪器对其氧敏性能进行了测试。 2. 极限电流氧传感器工作原理 致密扩散障碍层式极限电流氧传感器是由 YSZ 固体电解质和扩散障碍层（LSM ）复合 而成的。它在氧化锆电解质氧泵的阴极表面覆盖—层氧扩散障碍层，以限制氧向阴极补充， 使之成为泵氧速度的限制性环节。LSM/YSZ 界面处的氧在外电势作用下，不停地通过 YSZ 被抽到阳极，因而 LSM/YSZ 界面处的氧含量低于 LSM 外表面的氧含量，在氧化学势梯度 的推动下，氧由外表面以氧离子的形式扩散至 LSM/YSZ 界面。当氧通过 LSM 扩散障碍层 的速度较低，来不及补充到氧泵阴极( 内界面)时，即使再提高泵氧电压，向阳极输送的氧量 也不会增加，这时便达到泵氧的极限电流。显然，极限电流平台的高度与周围气氛中氧含量 [5-6] 存在线性关系，由此可以通过测量该极限电流，而得出周围气氛中氧的含量 。 3. 材料的合成 3.1 化学共沉淀法合成 YSZ 粉体 本实验采用 8mol ％稳定的ZrO2 为固体电解质基体材料。YSZ 粉体的制备采用化学共沉 淀法，以ZrOCl .8H O(YCl )溶液为原料，用 NH .H O 与之反应得到 Zr(OH) 和 Y(OH) 共沉 2 2 3 3 2 4 3 淀，经洗涤、干燥、煅烧，即可得到 YSZ 纳米粉体。YSZ 粉体经不同温度热处理后，进行 XRD 分析，得到的衍射谱如图 1 所示。与标准卡对照，特征峰都复合的很好，鉴于粉体活