一種氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料保護層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷保護層的新方法及其產(chǎn)品。本發(fā)明以鋁化合物和炭素材料為原料，將鋁化合物和炭素材料分散在有機溶劑中，其中，鋁化合物和炭素材料總重量與有機溶劑的重量比1:2～0.8；再將獲得的漿料涂覆在被有測氧材料的氧傳感器芯片表面；再將制備好的氧傳感器芯片置于75～95℃干燥12～24小時；最后將干燥的氧傳感器取出，以燒結(jié)溫度為1350℃～1600℃，燒結(jié)時間為1～4h燒結(jié)。被覆保護層的氧傳感器芯片上保護層（1）和基體（3）及測氧材料（2）之間有較好粘結(jié)強度和熱匹配。有效延長氧傳感器的使用壽命。本發(fā)明還提供一種被覆了表面保護層的氧傳感器，可以在惡劣工況下長期工作。
【專利說明】一種氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料保護層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧傳感器芯片上被覆保護層的制備方法，屬于陶瓷應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]在使用三元催化轉(zhuǎn)換器以減少排氣污染的發(fā)動機上，氧傳感器是必不可少的元件。一旦混合氣的空燃比偏離最佳空燃比較大時，三元催化劑對CO、碳氫化合物和氮氧化合物的凈化能力將急劇下降，故在發(fā)動機排氣管中安裝氧傳感器，用以檢測排氣中氧的濃度，并向ECU (汽車微機控制器)發(fā)出反饋信號，再由ECU控制噴油量的增減，從而將混合氣的空燃比控制在最佳值附近。
[0003]氧傳感器一旦出現(xiàn)故障，將使控制電子燃油噴射系統(tǒng)的電腦不能得到排氣管中氧濃度的信息，因而不能對空燃比進行反饋控制，會使發(fā)動機油耗和排氣污染增加，發(fā)動機出現(xiàn)怠速不穩(wěn)、缺火、喘振等故障。
[0004]氧傳感器的常見故障有:
[0005]氧傳感器鉛中毒:經(jīng)常使用含鉛汽油的汽車，即使是新的氧傳感器，也只能工作幾千公里。由于過高的排氣溫度，而使鉛侵入其內(nèi)部，阻礙了氧離子的擴散，使氧傳感器失效。即使使用無鉛汽油，其含鉛量大約為0.01克/升。長期使用后同樣存在氧傳感器鉛中毒的可能性。
[0006]氧傳感器硅中毒:一般來說，汽油和潤滑油中含有的硅化合物燃燒后生成的二氧化硅，硅橡膠密封墊圈使用不當散發(fā)出的有機硅氣體，都會使氧傳感器失效。
[0007]由于發(fā)動機燃燒不好，在氧傳感器表面形成積碳，或氧傳感器內(nèi)部進入了油污或塵埃等沉積物，會阻礙或阻塞外部空氣進入氧傳感器內(nèi)部，使氧傳感器輸出的信號失準，ECU不能及時地修正空燃比。產(chǎn)生積碳，主要表現(xiàn)為油耗上升，尾氣中有害物質(zhì)排放濃度明顯增加。
[0008]經(jīng)加速壽命測試，未被覆保護層的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約4000kmo

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明在氧化鋯基氧傳感器芯片表面增加一層性能良好的多孔陶瓷的保護層可以很好的解決前述氧傳感器的常見故障。
[0010]在氧傳感器芯片表面增加一層多孔陶瓷需要解決以下幾個方面的問題:
[0011]1、多孔陶瓷與氧化鋯芯片基體之間的匹配，主要是二者間熱膨脹系數(shù)的匹配和必要的結(jié)合強度；
[0012]2、多孔陶瓷與氧化鋯芯片基體表面多孔測氧材料之間的匹配，主要也是二者間熱膨脹系數(shù)的匹配和必要的結(jié)合強度；
[0013]3、覆蓋多孔陶瓷材料后不能堵塞多孔測氧材料的孔道。[0014]本發(fā)明包括表面被覆一層性能良好的多孔陶瓷的氧化鋯基氧傳感器芯片制備方法及其產(chǎn)品。
[0015]本發(fā)明在氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷的方法，以鋁化合物與炭素材料為原料，采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)在氧傳感器芯片表面被覆一層多孔陶瓷保護層的目的。包括如下步驟:
[0016](I)將鋁化合物與炭素材料分散在有機溶劑中制備漿料。
[0017](2)將步驟(I)獲得的漿料覆蓋在被覆有測氧材料的氧傳感器芯片的測氧材料表面。
[0018](3)將步驟(2)制備的氧傳感器芯片干燥。
[0019](4)將干燥后的氧傳感器芯片燒結(jié)。
[0020]所述鋁化合物包括氧化鋁、氫氧化鋁、醋酸鋁、草酸鋁等灼燒后呈氧化鋁的物質(zhì)。所述炭素材料包括石墨、炭黑、活性碳等以碳元素為主的物質(zhì)。
[0021]所述有機溶劑包括松油醇、鄰苯二甲酸二丁酯、甲苯、乙苯、丁內(nèi)脂等。
[0022]本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案之一:步驟(2)中，所述覆蓋方法包括絲網(wǎng)印刷或噴涂、涂
覆、浸潰等。
[0023]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:步驟(4)所述燒結(jié)為燒結(jié)溫度1350°C?1600°C，保溫時間I?4小時。
[0024]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:步驟(2)所述干燥為干燥溫度75?95°C，干燥時間為12?24小時。
[0025]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述鋁化合物為氧化鋁和/或氫氧化鋁，所述炭素材料為膠體石墨或乙炔炭黑。
[0026]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述氧化鋁、氫氧化鋁含量> 98.5wt%，粒度D50為
0.5 μ m ?3 μ m0
[0027]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:步驟(I)中，鋁化合物與炭素材料的重量比為鋁化合物:炭素材料=4?13:1。
[0028]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述鋁化合物與炭素材料的重量和與有機溶劑的重量比為1:0.8?5。
[0029]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述鋁化合物與炭素材料的重量和與有機溶劑的重量比為1:1?1.5。
[0030]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述有機溶劑為松油醇和/或鄰苯二甲酸二丁酯。
[0031]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:在有機溶劑加入成膜劑。。
[0032]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述成膜劑為乙基纖維素和/或PVB，所述有機溶劑與成膜劑的重量比為有機溶劑:成膜劑=1:0.03?0.2。
[0033]本發(fā)明再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述所述有機溶劑與成膜劑的重量比為松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:乙基纖維素=1:0.03?0.2:0.03?0.2。
[0034]本發(fā)明制備的氧傳感器芯片，包括保護層1、測氧材料2及基體3，所述測氧材料2位于氧傳感器芯片基體3上面，測氧材料2表面被保護層I覆蓋。
[0035]本發(fā)明制備的氧傳感器芯片優(yōu)選技術(shù)方案之一:所述保護層(I)為多孔陶瓷。
[0036]本發(fā)明制備的表面被覆一層性能良好的多孔陶瓷的氧傳感器芯片再一優(yōu)選技術(shù)方案:所述多孔陶瓷為多孔氧化鋁陶瓷。
[0037]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比取得下列優(yōu)點:
[0038]本發(fā)明以鋁化合物與炭素材料為原料，在氧傳感器芯片及多孔測氧材料表面覆蓋一層多孔陶瓷。本發(fā)明制備的被覆多孔陶瓷材料保護層的氧傳感器芯片適合在發(fā)動機尾氣中含鉛、硅等有害物質(zhì)及尾氣易形成積碳等惡劣工況條件下工作，對尾氣中氧含量反應(yīng)靈敏，不易失真。所得多孔陶瓷性能優(yōu)良，和氧化鋯基體、測氧材料匹配性良好，可以保護氧傳感器、多孔Pt表面避免受強烈氣流吹刷，保證氧傳感器的使用效果，將氧傳感器芯片使用壽命自被覆保護層前約行駛4000km延長至被覆保護層后行駛10000km以上。本發(fā)明原料易得，制備工藝簡單、環(huán)保，適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明實施例1產(chǎn)品表面多孔氧化鋁陶瓷SEM圖。
[0040]圖2是本發(fā)明實施例2產(chǎn)品表面多孔氧化鋁陶瓷SEM圖。
[0041]圖3是本發(fā)明實施例3產(chǎn)品表面多孔氧化鋁陶瓷SEM圖。
[0042]圖4是本發(fā)明實施例4產(chǎn)品表面多孔氧化鋁陶瓷SEM圖。
[0043]圖5是本發(fā)明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044]實施例1
[0045]參見圖1、圖5。
[0046]將粒度為D50=0.52 μ m,純度98.5wt%的氧化鋁和膠體石墨分散在有機溶劑中，其中氧化鋁和膠體石墨的重量比為4:1 ;有機溶劑選擇松油醇、鄰苯二甲酸二丁酯混合物，同時加入乙基纖維素，重量比為松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:乙基纖維素1:0.05 ；:0.03。氧化鋁和膠體石墨的總重與有機溶劑的重量比為1:0.8 ;將獲得的漿料采用絲網(wǎng)印刷的方法印刷在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入75°C的烘箱烘干，保溫24小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在窯爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C，燒結(jié)時間為3h。冷卻后氧傳感器芯片上多孔Pt材料表面被覆一層多孔氧化鋁陶瓷。
[0047]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0048]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛10000km以上。
[0049]實施例2
[0050]參見圖2、圖5。
[0051]將粒度為D50=0.98 μ m，純度99wt%的氧化鋁和膠體石墨分散在有機溶劑中，其中氧化鋁和膠體石墨的重量比為5:1 ;有機溶劑選擇松油醇、鄰苯二甲酸二丁酯的混合物，并加入PVB，重量比為松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:PVB=1:0.2:0.04 ;氧化鋁和膠體石墨的總重與有機溶劑的重量比為1:1 ;將獲得的漿料采用絲網(wǎng)印刷的方法印刷在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入80°C的烘箱烘干，保溫16小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500°C，燒結(jié)時間為2.5h。
[0052]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0053]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約11000km。
[0054]實施例3
[0055]參見圖3、圖5。
[0056]將粒度為D50=l.97 μ m,純度99.99%的氧化鋁和膠體石墨分散在有機溶劑中，其中氧化鋁和膠體石墨的重量比為6:1 ;有機溶劑選擇松油醇、鄰苯二甲酸二丁酯混合物，并加入乙基纖維素。重量比為松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:乙基纖維素=1:0.2:0.05 ;氧化鋁和膠體石墨的總重與有機溶劑的重量比為1:1.2 ;將獲得的漿料采用噴涂的方法印刷在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入85°C的烘箱烘干，保溫14小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550°C，燒結(jié)時間為2.5h。
[0057]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0058]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約11000km。
[0059]實施例4
[0060]參見圖4、圖5。
[0061]將粒度為D50=l.05 μ m,純度大于98.5%的氧化鋁和膠體石墨分散在有機溶劑中制備漿料，其中氧化鋁和膠體石墨的重量比為8:1，有機溶劑選擇松油醇、乙基纖維素、鄰苯二甲酸二丁酯混合物，混合配比松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:乙基纖維素=1:0.08:0.08 ；氧化鋁和膠體石墨的總重與有機溶劑的重量比為1:1.9 ;將獲得的漿料采用噴涂的方法印刷在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入95°C的烘箱烘干，保溫12小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600°C，燒結(jié)時間為lh。
[0062]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0063]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛超過10000km。
[0064]實施例5
[0065]參見圖5。
[0066]將粒度為D50=0.51 μ m，純度99%的氧化鋁和膠體石墨分散在有機溶劑中，其中氧化鋁和膠體石墨的重量比為8:1 ;有機溶劑選擇松油醇、乙基纖維素、鄰苯二甲酸二丁酯，混合配比1:0.03:0.08 ;氧化鋁和膠體石墨的總重與有機溶劑的重量比為1:1.5 ;將獲得的漿料采用噴涂的方法印刷在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器放入85°C的干燥箱中烘干，保溫15小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350°C，燒結(jié)時間為4h。[0067]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0068]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約12000km。
[0069]實施例6
[0070]參見圖5。
[0071]將市售粒度為5000目、純度99.9wt%的氫氧化鋁12.5克、乙炔炭黑0.98克與AR鄰苯二甲酸二丁酯60ml充分攪拌混合，制成漿料后涂覆在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入80°C的烘箱烘干，保溫24小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在高溫爐以溫度為1400°C燒結(jié)4h。冷卻后氧傳感器芯片上多孔Pt材料表面被覆一層多孔氧化鋁陶瓷。
[0072]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0073]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約10000km。
[0074]實施例7
[0075]參見圖5。
[0076]將粒度為D50=l.97 μ m,純度99.99%的氧化鋁10克、粒度為5000目(2.6 μ m)、純度99.9wt%的氫氧化鋁15克、膠體石墨4.2克分散在36克松油醇中并加入PVB7克制成漿料；將獲得的漿料噴涂在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入85°C的烘箱烘干，保溫16小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550°C，燒結(jié)時間為2.5h。
[0077]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0078]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約11000km。
[0079]實施例8
[0080]參見圖5。
[0081]將市售粒度為5000目、純度99.9wt%的氫氧化鋁30克、自石灰氮水解渣中分離的碳粉4.5克分散在41克松油醇中，同時加入乙基纖維素I克和PVB0.8克制成漿料；將獲得的漿料噴涂在被有多孔Pt材料的氧化鋯氧傳感器芯片表面；將前面制備的氧傳感器芯片放入85°C的烘箱烘干，保溫15小時；將干燥的氧傳感器芯片取出，在馬福爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500°C，燒結(jié)時間為2.5h。
[0082]燒結(jié)制備的多孔陶瓷和氧化鋯陶瓷以及多孔Pt材料具有很好的粘結(jié)強度和熱匹配。
[0083]經(jīng)加速壽命測試，本實施例被覆保護層后的氧傳感器芯片使用壽命相當于發(fā)動機行駛約10000km。
[0084]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷的方法，所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法以鋁化合物與炭素材料為原料，其特征在于包括如下步驟: (1)將鋁化合物與炭素材料分散在有機溶劑中制備漿料； (2)將步驟(1)獲得的漿料覆蓋在被覆有測氧材料的氧傳感器芯片的測氧材料表面； (3)將步驟(2)制備的氧傳感器芯片干燥； (4)將干燥后的氧傳感器芯片燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:步驟(2)中，所述覆蓋方法包括絲網(wǎng)印刷或噴涂、涂覆、浸潰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:步驟(4)所述燒結(jié)為燒結(jié)溫度1350°C~1600°C，保溫時間I~4小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:步驟(2)所述干燥為干燥溫度75~95°C，干燥時間為12~24小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述鋁化合物為氧化鋁和/或氫氧化鋁，所述炭素材料為膠體石墨或乙炔炭黑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述氧化招、氫氧化鋁含量≥98.5wt%,粒度D50為0.5μm~3μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:步驟(1)中，鋁化合物與炭素材料的重量比為鋁化合物:炭素材料=4~13:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述鋁化合物與炭素材料的重量和與有機溶劑的重量比為1:0.8~5。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述鋁化合物與炭素材料的重量和與有機溶劑的重量比為1:1~1.5。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述有機溶劑為松油醇和/或鄰苯二甲酸二丁酯。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:在有機溶劑加入成膜劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述成膜劑為乙基纖維素和/或PVB，所述有機溶劑與成膜劑的重量比為有機溶劑:成膜劑=1:0.03 ~0.2。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述氧傳感器芯片上被覆多孔陶瓷材料的方法，其特征在于:所述有機溶劑與成膜劑的重量比為松油醇:鄰苯二甲酸二丁酯:乙基纖維素=1:0.03 ~0.2:0.03 ~0.2。
【文檔編號】G01N27/00GK103901074SQ201210589877
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月29日
【發(fā)明者】龔斌, 馮濤, 劉革命, 夏金峰 申請人:贛州虔東稀土集團股份有限公司, 中國科學院上海硅酸鹽研究所