鋼水定氧傳感器MgO部分穩(wěn)定ZrO2固體電解質(zhì)的制備及其表征.pdf

1、目前氧傳感器及其智能化儀表及其作為其他儀器的輔助配件等產(chǎn)品，在人們的社會(huì)生活中扮演著非常重要的角色，現(xiàn)已在國(guó)防科研、醫(yī)療環(huán)保、交通運(yùn)輸、冶金化工、食品釀造、民用家電等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。氧傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展迅猛的高新技術(shù)之一，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，而氧傳感器產(chǎn)業(yè)以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、適用范圍大、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人矚目。
　　 ZrO2是一種新型的陶瓷材料，也是應(yīng)用得最早的固

2、體電解質(zhì)材料之一，為了克服純ZrO2的種種不足，人們將ZrO2與MgO、CaO、Y2O3、Al2O3、CeO2、Sc2O3等穩(wěn)定劑中的一種或者幾種混合可以制備出晶相穩(wěn)定的氧化鋯粉體。將這種穩(wěn)定的氧化鋯粉體進(jìn)行燒結(jié)，可以得到優(yōu)于純ZrO2的具有較好的機(jī)械性能和離子導(dǎo)電性能的燒結(jié)體。特別是近年來(lái)，隨著人們對(duì)ZrO2固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和離子導(dǎo)電特性研究的深入，其中氧化鋯固體電解質(zhì)應(yīng)用發(fā)展相當(dāng)迅速，人們利用ZrO2固體電解質(zhì)各項(xiàng)特性已成功開(kāi)發(fā)了許多

3、新的功能器件和新的用途，例如氧傳感器、高溫燃料電池溫度傳感器、高溫濕度傳感器以及在國(guó)防科研、交通運(yùn)輸、冶金化工、醫(yī)療環(huán)保食品釀造、民用家電等領(lǐng)域的應(yīng)用的各種傳感器。其中氧傳感器的研究和利用更呈現(xiàn)出非?；钴S的趨勢(shì)，在人們?nèi)粘Ｉ钪杏糜诟鱾€(gè)方面。
　　 鋼水快速定氧傳感器是伴隨煉鋼精煉技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。由于氧在鋼中是有害元素，鋼中的氧含量在鋼中與其它元素化合生成氧化物夾雜，直接影響鋼的質(zhì)量。因此，快速檢測(cè)鋼中的氧含量是鋼水

4、精煉重要任務(wù)之一。采用電化學(xué)方法快速測(cè)量鋼中的氧含量，目前沒(méi)有任何方法替代。我國(guó)許多研究單位早在上世紀(jì)80年代就開(kāi)展研究鋼水中氧含量檢測(cè)技術(shù)，受關(guān)鍵部件氧化鋯質(zhì)量的制約，這項(xiàng)工作始終處于徘徊中。
　　 由于氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)(MgO-PSZ)由于具有良好的高溫力學(xué)性能、抗熱震性和高溫下具有較高的氧離子導(dǎo)電性，因而被作為商品高溫氧傳感器固體電解質(zhì)材料加以開(kāi)發(fā)利用。在MgO-ZrO2體系中，穩(wěn)定的立方型固溶體只有在140

5、0℃以上才存在，當(dāng)固體電解質(zhì)燒成后，立方相在室溫下仍能穩(wěn)定地存在。MgO部分穩(wěn)定的ZrO2比氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯有更好的抗熱震性和更低的高溫低氧分壓下的n型電子導(dǎo)電性。所以在鋼液快速定氧過(guò)程中，MgO-PSZ管被廣泛應(yīng)用。
　　 論文首先綜述了氧傳感器，特別是氧化鋯型氧傳感器的研究進(jìn)展，詳細(xì)說(shuō)明了鋼水定氧傳感器的制備方法。
　　 論文的實(shí)驗(yàn)工作主要研究了用共沉淀法制備滿足鋼水定氧傳感器用的氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯粉體及其陶瓷塊

6、體。為了能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)，我們采取反滴定法(即將一定濃度的混合溶液滴入到一定濃度的稀氨水中，形成共沉淀混合物)制備鎂穩(wěn)定氧化鋯粉體。在沉淀的過(guò)程中，為了保證共沉淀混合物能最大限度的沉淀，必須保證沉淀劑的PH值在9-11之間；在洗滌的過(guò)程中，為了減少氫氧化鎂的損失和減輕粉體的團(tuán)聚，先用稀氨水洗滌沉淀，除去Cl-，然后用無(wú)水乙醇洗滌，減少硬團(tuán)聚。共沉淀的MgO-PSZ粉末在650℃煅燒后，因?yàn)閳F(tuán)聚嚴(yán)重，小顆粒都團(tuán)聚在一起，嚴(yán)重影響粉末的相組成

7、。為了得到滿足鋼水測(cè)氧探頭所需要的物相，因此必須對(duì)在在650℃煅燒后的粉體進(jìn)行處理，通過(guò)球磨或者砂磨的方式可以將團(tuán)聚較嚴(yán)重的粉末破碎，得到顆粒比較細(xì)，滿足特殊要的MgO-PSZ粉末。8mol％MgO-ZrO2陶瓷塊體在1550℃煅燒2h后比較致密，X射線衍射圖也說(shuō)明了此時(shí)氧化鋯是部分穩(wěn)定的，其掃面電鏡能夠看出晶體生長(zhǎng)良好；12mol％MgO-ZrO2陶瓷塊體在1500℃煅燒2h后比較致密，X射線衍射圖也說(shuō)明了此時(shí)氧化鋯是部分穩(wěn)定的，其掃

8、面電鏡能夠看出晶體生長(zhǎng)良好；其基本符合鋼水定氧傳感器氧敏感元件的特殊需求。
　　 論文工作還研究了用水熱法制備滿足鋼水定氧傳感器用的氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯粉體及其陶瓷塊體。在180℃水熱48h時(shí)，能夠制備出單分散的，晶形完整，比表面積大的8mol％MgO-PSZ納米粉體和12mol％MgO-PSZ納米粉體，其中位粒徑為在0.15 um左右。通過(guò)在1500℃燒結(jié)陶瓷塊體能得到晶形完整、致密度高且晶相滿足鋼水定氧傳感器特殊要求的陶瓷塊