[发明专利]制备氧化钛-氧化铌复合氧化物氧敏材料的方法

说明书

本发明涉及氧敏复合材料的制备方法。

近年来，汽车已成为主要的交通运输工具之一。随着汽车数量的不断增加，汽车燃料燃烧废气中的有害气体对人类环境造成的污染及能源消耗的问题愈来愈引起人们的重视。目前，人们普遍采用固态氧敏传感器检测排气中的氧含量，以控制混合燃料气的成份比例处于理论空燃比，并借助于三元催化系统使排气中的有害气体得到净化，燃料得到充分利用。

现有的汽车氧敏元件按材料分类，主要有固体电解质型和氧化物半导体型两种，其中固体电解质型如日本绝缘器公司(NGK)生产的稳定性氧化锆氧敏传感器已经实用化，但该器件的最大不足是制作工艺复杂，成本高，而且在含铅汽油燃烧排气中工作时，常因“铅中毒”而损坏，减少使用寿命。氧化物半导体氧敏元件采用氧化钛(TiO₂)或氧化铌(Nb₂O₅)等材料，比固体电解质型氧敏元件有其结构简单，制作成本低，使用功耗低等优点，但却存在着某些缺陷。例如美国T.Y.Tien等人首先提出的氧化钛氧敏元件，一是需要贵金属催化剂；二是长期稳定性差。日本丰田公司研制氧化铌氧敏元件在响应速度与可靠性方面也都存在问题；国内武汉工业大学等单位也在进行此项研究工作，但至今没有实用化。鉴于我国目前汽车使用的均为含铅汽油，不易推广使用固体电解质氧化锆氧敏传感器的国情，因而研究开发半导体氧敏材料的制备方法是一个迫切需要解决的问题。

本发明的目的是提供一种将氧化钛与氧化铌复合制成半导体氧敏材料的方法，使其既不需贵金属催化剂，又具有氧化物半导体氧敏元件的优点，且按不同的复合比例可得到分别优于两种单独材料的氧敏特性。

实现本发明目的方法是以二氧化钛(TiO₂)与氧化铌(Nb₂O₅)为源材料，将两种材料混合后，经烧成、粉碎、加压成形、再烧结而成。其操作步骤如下：

1.分别将分析纯氧化钛和氧化铌粉料置烘箱中干燥24hr，再分别按比例称量好。

2.将二种原材料置于混合器中搅拌，使充分混合；

3.将混合粉料置于马福炉中烧成；

4.用研磨机充分粉碎，研磨烧成的混合料，用100且筛网造粒。

5.将造粒料加压成：200mm，h：2mm的园片；

6.将园片状试料置于马福炉中烧结；

7.将烧结后的试料切割成条状样品；

8.在样品上烧付电极引线，供测试用。

制备的工艺条件为：

烧成温度：1200℃～1400℃

烧成时间：4-6hr

烧结时间：1200℃～1400℃

烧成时：4-7hr

加压成形：80～300kg/cm²

根据氧化物半导体电导率与环境氧分压之间的关系式： σ ∝ P O 2 1 m ]]>

σ：电导率  PO₂：环境氧化压  m：由材料成份，结构决定的常数，m的理论值为4～6。

对N型半导体材料，m为负值，对于作为氧敏元件的材料，如果值越大，即|m|越小，表明在氧分压变化时材料电导率将有更显著的变化，这是我们所希望的。本发明中按不同比例得到的氧化钛—氧化铌(TiO₂—Nb₂O₅)复合材料，对其电导率σ与氧分压PO₂关系进行分析，得到的m值为负值，表明该材料是N型半导体，其|m|比单独的TiO₂及Nb₂O₅的|m|值更小。

众所周知，理论空燃比氧敏元件的作用是控制空气—燃料的重量比处于理论空燃比状态，该作用是通过在理论空燃比状态附近的燃料燃烧排气中氧分压有剧烈变化从而引起氧敏元件电导率急剧变化而实现的。在空气过剩率λ＝1，即理论空燃比状态附近的极狭窄的范围内，材料的电导率变化量越大则氧敏元件的灵敏度愈高。