Электропроводный керамический материал

СООЭ СОВЕТСКИХ сииииилииииииииии.ими Ии ы СТВУ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗО(71) Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорнойпромышленности(54)(5) ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ КЕРАИИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, содержащий стабилизированный дноксид циркония и апюмомагнезиальную шпинель или титанат Изобретение относится к огнеупор-. ной промышленности и может быть использовано для изготовления твердых электролитов для датчиков определения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгоИзвестен электропроводный керамический материал, включающий диоксид циркония и оксид скандия в качестве стабилизирующей добавки,Такой керамический материал обладает наибольшей кислородоионной проводимостью в широком диапазоне 80, 1156356 А 1 алюминия или муллит, о т л. и ч а ющ и й с я тем, что, с целью снижения удельного сопротивления в интервале температур 400-600 фС, онсодержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия при следующем соотношении компонентов,мас. 3:Диоксид циркония,стабилизированныйоксидом скандия 97 0-99,5Апюмомагнезиальная шпинель 0,5-3,0илидиоксид циркония,стабилизированныйоксидом скандия 98,0-99,5Титанат алюминия 0,5-2,0или диоксид циркония, стабилизированный оксидомскандия 95,0-99,5Муллит 0,5-5,.0 температур из всех известных керамических материалов из твердых растворов на основе диоксида циркония.Однако такой материал имеет недостаточную термическую стойкость для применения его в качестве твердых электролитов в датчиках определения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания топлива автомобилей, где режим их работы состоит иэ частых включений- . выключений, а следовательно, резких нагревов и охлаждений в диапазоне температур 400-600 С, 1156356О,5-3,0 981 0-99 э 5 Известен керамический материалдля изготовления твердого электролита, включающий диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия илииттербия или кальция и 26,.08-33 мас.7магнезиальной шпинели или муллита.Наиболее близким к предложенномупо технической сущности и достигаемому результату является шихта дляизготовления керамиии, используемойв электрохимических системах на основе твердых электролитов и включающей, мас.: диодксид циркония, стабилизированный окислами редкоземельных элементов 65-75, и алюмомагнезиальную шпинель 25-35,Эти материалы имеют высокую термостойкость, но недостаточно высокуюэлектропроводность в интервале температур 400-600 С, Другими. словами,датчик включится в работу только приотемпературах д 1000 С, при более низких температурах, в частности в интервале 400-600 С, датчик не будетработать,Чем выше температура возможногоиспользования твердого электролита,тем больше разница в температурахвключения двигателя автомобиля и датчика в работу, выхлоп же вредныхотработанных газов прекращается лишьпосле включения датчика. То есть, чемниже температурный уровень использования твердого электролита, тем нижетемпература включения датчика в работу, а следовательно, эффективнееработа самого датчика.Цель изобретения - снижение удельного сопротивления в интервале температур 400-600 С.Поставленная цель достигается тем,что электропроводный керамическийматериал, содержащий стабилизированный диоксид циркония и алюмомагнезиальную шпинель или титанат алюминияили муллит, содержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом скандия при следующем соотношении компонентов, мас,З;Диоксид циркония,стабилизированныйоксидом скандия 97,0-99,5Алюмомагнезиальнаяшпиндельилидиоксид циркония,стабилизированныйоксидом скандия0 5-2,0 Титанат алюминия имеет самый низкий коэффициент термического расширения, поэтому эффект увеличения.термической стойкости может .быть дос-,тигнут при меньшем содержании добавкипо сравнению с другими, Однако титанат алюминия в самой значительнойстепени влияет на рост электросопротивления керамики и в меньшей степениспособствуют ее спеканию,Муллит менее заметно сказываетсяна увеличении сопротивления твердогораствора ЕгО - БеО, однако при исТитанат алюминияили диоксид цирко-.ния, стабилизированный оксидомскандия 95, 0-99, 5 Муллит 0,5-5,0 Сущность изобретения состоит втом, что новое сочетание компонентов 10 в заявляемых пределах обеспечиваетповышение электропроводности керамического материала в области низких температур 400-600 С. Высокая температурная устойчивость предлагае мых добавок не нарушает фазового состава керамики при ее обжиге, и ее свойства определяются в основном свойствами твердого раствора ЕгО БеО, поскольку объем границ зерен 20, несоизмеримо мал в сравнении с объемом самих зерен. При этом указанные модифицирующие добавки распределяются тонкой пленкой по границам зерен, способствуя тем самым спеканию ке рамики и улучшению электрическихсвойств, а также формированию микро- трещиноватой структуры за счет раз- - личия КТР твердого раствора и модифицирующей добавки, что обеспечивает 30 ей высокую термостойкость.Различное содержание каждой изпредлагаемых добавок, а также их пределы обусловлены условиями службы тверди электролитов в датчиках автомобилей, с одной стороны, а также индивидуальными свойствами добавок, с другой стороны.Алюмомагнезиальная шпинель имеетсамую высокую устойчивость в широком 40 диапазоне температур и, следовательно керамика может претерпевать воздействие самых высоких температур при обжиге (2000 С), если необходимо получить керамику с высокой плот ностьюе56 Электросопротнвленне, Ом см при температур изменения,еС Состав керамики, мас, Х мостоакостьппосмен (20- ОеС - вода) 4 ОО Прототип(гго -Т О,) 65 Х + ИВА 1 О, 352 (геОт Тт 07 70 Х + ИВА 1 сол ЭОХ (7 гот Тс 037 75 Х +ЛВЛ 1 еол 252 1,70 е в 3,5 10 е 2,810 е Предлокенны объект 3900 301 1 вариант гго стаоветОз+0,5 Х ИВА Ол ггос -е- Зе О е,02 1 ВА 1 тол гГОС -"- ЗЕ,О +геОХ ИВА 1 СОЛ гГОС -н Зе ОЗ+3 еОХ ИВА 12 ОЛ2 вариант 99 е 5 Х 99,02 9 В,ОХ 97,0 Х 59 9,551,04101 е 1 1 11, 4106 4030 378 66 70 4500 407 4800 443 73 3140 320 58 99,5 Х 99 еОХ 98,ОХ ггот стае, зе 01+0,52 А 1 ст(оггго Зе 0 +1,0 Х А 1, Т(ОГ ггОс -"- Зе От+2,02 А 1 сТ 10 г Э вариант 6,7 6 е 60 7,10 3770 423 79 4640 458 89 2560 . 290 ггО став.ггОт 99 е 5 Х 99,02 97 еог 95,ОХ Зетот+О52 ЭА 1 т 05 2810 т Зе,Ос+1,02 ЭА 1 тос 2 З(От Зесос+Э,ОХ ЭА 1 тоз 2810 т Зттоз+5,0 Х ЭА 1 то 28(от 68 7 О 7,ОЭ7 е 648,7794 294 О .4000 330 ггО т ггог.430 4800 460 90 5 11563пользовании его требуется получение тстрого стехиометрического составамуллита с высокой степенью чистоты,Свободный кремнезем может переходитьв стеклофазу при обжиге изделий, асодержание примесей, например таких,как НаО, СаО, КоО и других даже пристехиометрическом составе муллитаможет приводить к образованию стеклофазы при обжиге изделий.Нижний и. верхний пределы содержания каждой добавки обусловлены условиями термостойкости и электропровод. ности. Нижний предел ограничен снижением термической стойкости керамического материала, верхний предел -повышением уровня его электросопротивления, ориентируясь на значенияэлектросопротивления твердого раствора Ег 09 - Яе)09.В предлагаемом решении предпочтительно использовать диоксид цирконыя, стабилизированный 8-10 мас,ХЯе 0 пз как наиболее электропроводный твердый раствор в системе 2 гО -ЯееОВ,П р и м е р. Предварительно синтезированные модифицирующие добавкиподвергают измельчению в вибромельнице совместно с диоксидом циркония,стабилизированным оксидом скандия ( 10 мас,Е). Из полученных смесей готовят образцы методом полусухого прессования, Обжиг образцов проводят при 1600-1650 С.. На обожженных образцах измеряли удельное объемное электросопротив.ление при 400-600 С и термостойкость в режиме нагрев до 1200 С - охлаждение (вода).В таблице приведены составы исвойства образцов из предлагаемого керамического материала, а также прототипа.Как показапи испытания, предлагаемые составы керамического материала имеют значительно более низкие значения электросопротивления по сравнению с прототипом.Таким образом, предлагаемый электропроводный керамический материал обеспечивает повышение электропровод- ности твердых электролитов при 400- 600 С, что позволит повысить надежность датчиков контроля кислорода для автомобилей,Использование твердых электролитов предлагаемого состава перспективно для контроля и регулирования процессов сжигания топлива в автомобилях.