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La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)基片式结构氧传感器的研究

作　者: 陈康
导　师: 简家文
学　校: 宁波大学
专　业: 电路与系统
关键词: 氧传感器 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85 极限电流 响应时间
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


氧传感器作为一种测量氧浓度的器件在近些年来得到了广泛的应用，特别是在汽车尾气排放控制系统中起着关键性的作用。目前市场上主流的是基于氧化锆材料的氧传感器，但是其工作温度需大于800℃，而工作温度过高会带来诸多问题，比如功耗高、密封难、电极材料难以匹配等。所以，本文以降低氧传感器的工作温度为出发点，提出以中温固体氧离子导体——La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85为敏感材料制作氧传感器。首先，对La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85材料的烧结特性进行了研究；其次，以1400℃烧结的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85固体电解质分别制作了浓差电势型氧传感器、小孔扩散障极限电流型氧传感器和离子扩散障极限电流型氧传感器；最后，对制作的氧传感器进行了性能测试。具体内容和研究结果主要包括以下几部分：1、详细介绍了本课题的研究内容、技术路线、创新点、测试方法以及实验所用到的设备和试剂；2、将1000℃预煅烧2h的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85粉体干压成型，而后在1250～1500℃（间隔50℃）六个温度点下烧结4h。之后，并对烧结样品的相对密度、线收缩率、XRD、SEM、阻抗谱以及电导率进行测试。测试结果表明：1400℃烧结的样品相比其他样品表现出更加优异的性能。其晶粒排列紧密，基本无气孔存在，相对密度达到96.6%；样品只含有单一的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85晶体相；在各测试温度点下（450～800℃）的离子电导率均最大，800℃时达到0.093S/cm。所以，1400℃烧结的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85固体电解质相比其它样品更适宜用来制作氧传感器；3、基于1400℃烧结的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85固体电解质制备了浓差电势型氧传感器。由600℃、650℃和700℃下测得的浓差电势随过量空气系数变化的曲线图可知，当过量空气系数在1附近时，浓差电势出现骤变的现象，这符合浓差电势型氧传感器的特性；4、基于1400℃烧结的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85流延片制备了小孔扩散障极限电流型氧传感器。该氧传感器在600℃和650℃展现出良好的性能。在0.1%～3%的氧浓度范围内均出现了极限电流平台，而且极限电流和氧浓度呈现很好的线性关系。此外，该氧传感器在650℃下的上升和下降响应时间都为15s左右。5、基于1400℃烧结的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85固体电解质设计制作了新型的离子扩散障极限电流型氧传感器。根据氧传感器的工作原理，结合法拉第第一定律、Fick定律和Langmuir吸附方程推导了该氧传感器的极限电流和氧浓度的关系，得出氧浓度和极限电流的比值跟氧浓度成线性关系。当温度为600℃或650℃时，该氧传感器在1%～100%的氧浓度范围内均出现良好的极限电流平台，而且极限电流与氧浓度的关系和理论推导的结论相一致。此外，该氧传感器在600℃下的上升和下降响应时间都为10s左右。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
引言  11-12
1 绪论  12-28
  1.1 氧传感器概述  12-16
    1.1.1 研究现状  15-16
  1.2 氧传感器的分类  16-24
    1.2.1 浓差电势型氧传感器  16-18
    1.2.2 极限电流型氧传感器  18-24
  1.3 固体电解质  24-28
    1.3.1 LaGaO3钙钛矿型氧化物  24-28
2 研究内容与测试方法  28-32
  2.1 课题的研究内容  28
  2.2 课题的技术路线图  28-29
  2.3 实验试剂与设备  29-30
  2.4 测试方法  30-31
    2.4.1 线收缩率  30-31
    2.4.2 相对密度  31
    2.4.3 物相分析  31
    2.4.4 微观形貌分析  31
    2.4.5 交流阻抗谱测试（电导率计算）  31
    2.4.6 氧传感器性能分析  31
  2.5 创新点  31-32
3 La_(0.9 )Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)固体电解质烧结特性的研究  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 实验  32-33
  3.3 实验结果与讨论  33-41
    3.3.1 线收缩率与相对密度  33-34
    3.3.2 物相分析  34-36
    3.3.3 微观结构  36-37
    3.3.4 阻抗谱分析（电导率计算）  37-41
  3.4 结论  41-42
4 基于 La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)固体电解质浓差电势型氧传感器的研究  42-47
  4.1 引言  42
  4.2 浓差电势型氧传感器的制备  42-43
  4.3 浓差电势型氧传感器的测试  43-44
  4.4 实验结果讨论与分析  44-46
  4.5 结论  46-47
5 基于 La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)固体电解质小孔扩散障极限电流型氧传感器的研究  47-54
  5.1 引言  47
  5.2 小孔扩散障极限电流型氧传感器的制备  47-48
  5.3 小孔扩散障极限电流型氧传感器的测试  48-49
  5.4 实验结果讨论与分析  49-52
    5.4.1 小孔扩散障极限电流型氧传感器的工作原理  49
    5.4.2 I-V 特性  49-52
    5.4.3 响应时间  52
  5.5 结论  52-54
6 基于 La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(2.85)固体电解质离子扩散障极限电流型氧传感器的研究  54-65
  6.1 引言  54
  6.2 离子扩散障极限电流型氧传感器的制备  54-55
  6.3 离子扩散障极限电流型氧传感器的测试  55-56
  6.4 实验结果讨论与分析  56-63
    6.4.1 氧传感器的工作原理和理论推导  56-59
    6.4.2 I-V 特性  59-63
    6.4.3 响应时间  63
  6.5 结论  63-65
7 结论  65-67
参考文献  67-70
在学研究成果  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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