本發明涉及氧傳感器技術領域，尤其是一種平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料及其密封方法。
背景技術：
我國汽車產業已進入了一個迅速發展的階段，汽車的急劇增加已經使尾氣排放污染的控制意識成為亟待解決的問題。在過去30年間，美國、日本汽車單車排放的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物均下降了90%以上。我國也對汽車產品的減排、控排提出了越來越嚴格的要求，期望各種汽車產品的排放控制水平逐步實現與國際接軌，汽車尾氣排放達到歐ⅳ及歐ⅳ以上的排放標準，減少環境污染。要實現這一目標就必須采用閉環電控燃油供給系統、三元催化、稀薄燃燒、缸內直噴等技術，而這些技術都需要氧傳感器作為其敏感元進行信號源檢測。
傳統的氧傳感器由敏感元件氧化鋯管和氧化鋁陶瓷加熱芯共同組成，占據著目前氧傳感器市場的主導地位。其基本原理為，在固體電解質兩側電極上產生氧濃度差電勢e，形成一種新型的濃差電池結構。通過對濃差電池電勢e的檢測來計量發動機的實際空然比λ，并指導發動機中央控制系統進行空然比λ控制。傳統管式氧傳感器由于體積結構大，發熱芯間接加熱，加熱速度慢，信號響應速度慢的特點已很難滿足汽車尾氣的排放要求。隨著日益嚴格的汽車尾氣排放法規的實行，新型直接加熱型平板式氧化鋯基氧傳感器將成為汽車尾氣控制應用的主流，其將傳統的氧化鋯管和陶瓷加熱芯設計為一體，具有結構體積小，直接加熱速度快，能耗低，敏感元件快速激活，信號響應準確迅速，壽命長的特點。
盡管平板式氧傳感器可以提供比管式更優異的性能，但是需要性能良好的高溫密封材料與之相配合。密封材料需要在高溫的空氣和燃料氣氛中保持穩定性，同時具有極低的氣體漏氣率與較高的電絕緣性能。密封材料的位置如圖1所示，兩側分別為氧化鋁陶瓷主體與氧傳感器的氧化鋯鋯芯。因此，密封材料的制備成了平板式氧傳感器發展過程中的主要挑戰之一。由于氧化鋯基氧傳感器的原理是基于能斯特定律，即電解質兩側的電勢與氣體的濃度差相關，因此，密封材料的氣體泄漏會直接影響到氧化鋯基氧傳感器的性能，甚至會導致其性能失效。不同于傳統的管式氧傳感器（即使帶加熱器）的慢速升溫過程，平板式氧傳感器必須具備快速啟動的能力(<15s甚至<10s)，工作溫度區間為300oc至800oc。此時密封材料也將經受熱循環應力的沖擊，因此密封材料需要具有長期穩定的密封性能，并可耐受一定的熱循環周次。
現有的平板式氧傳感器密封材料主要分為陶瓷粉體顆粒堆積特征的壓密封與自適應的玻璃密封技術。壓密封結構中，密封材料與相鄰界面變形一致，在恒定壓力下形成動態密封，密封界面可以發生相對滑移而不會破壞氣密性，因此對熱膨脹匹配性要求不高。滑石與氧化鋁是典型的壓密封材料，通過對堆積的陶瓷粉體施加壓應力實現平板式氧傳感器的密封。其特點在于利用陶瓷粉體幾何堆積所形成的迂曲度實現氣體的密封，具有優異的高溫結構穩定性，缺點在于該類型密封材料需要施加很高的壓應力才能夠維持良好的氣密性，即通過材料受壓變形和內部孔隙度調整，使得氣體通過孔隙的運動阻力發生變化，屬于相對意義的密封。玻璃密封材料，從密封功能上要求其既能依靠充分的變形以提供足夠的密封，又能保持足夠的剛度而不失機械完整性，同時其熱膨脹系數還必須與相鄰部件匹配。因此，選擇合適玻璃密封材料的兩個重要指標是玻璃態轉變溫度(tg)和熱膨脹系數(cte)。為了改善玻璃的高溫熱穩定性和強度，可以添加添加陶瓷顆粒或纖維到玻璃基體中形成玻璃陶瓷復合密封材料。迄今為止，玻璃作為高溫密封材料應用仍然存在一些難以解決的問題。玻璃的脆性很大，在tg溫度以下很容易發生開裂；玻璃是熱力學非穩定相，在高溫工作環境有向更穩定晶相轉化的趨勢；如何通過抑制高溫析晶反應和改善界面長期穩定性也是玻璃密封材料亟待解決的問題。
技術實現要素：
為了克服現有的上述平板式氧傳感器高溫密封中所存在問題的不足，本發明提供了一種平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料及其密封方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料，該材料由金屬粉體和玻璃粉體組成，玻璃粉體按照各成分所占的質量比重分別為：
sio2：40%-45%；
bao：30%-35%；
b2o3：10%-15%；
mgo：8%-12%。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，金屬粉體為al粉體，其顆粒尺寸約為1-10μm。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，玻璃粉體的顆粒尺寸為1-10μm，軟化溫度高于800°c。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，玻璃粉體的熱膨脹系數約為10×10-6/k。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，金屬粉體和玻璃粉體按照質量比重分別為10%-30%和70%-90%。
一種使用平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料的密封方法，該方法包括材料成型、裝配、施壓和升溫四個步驟；
步驟一：采用球磨的方式均勻混合金屬粉體al和玻璃粉體，溶劑采用酒精，將金屬粉體al和玻璃粉體置于球磨罐中，在al2o3或zro2磨球的碰撞擠壓下進行球磨，球磨時間為12h至18h，將其分散到有機溶劑中,粉體與溶劑的重量比例為85:15，溶劑為4wt%乙基纖維素與松油醇的均勻混合物，形成均勻懸濁液，然后再烘干，烘干溫度為150oc，時間為60min形成均勻分布的玻璃粉體與金屬粉體al的復合材料；
步驟二：將板式氧傳感器鋯芯放置到氧化鋁陶瓷主體中間并定好位，然后將加入玻璃粉體與金屬粉體al的復合材料，填入氧傳感器鋯芯與氧化鋁陶瓷主體之間的間隙中；
步驟三：完成步驟二裝配之后，為保證密封材料的堆積密度，需要對密封材料施加裝配壓力，使之與氧傳感器鋯芯與氧化鋁主體之間緊密貼合，密封件的施加壓力不高于100kpa；
步驟四：將步驟三完成后的傳感器進行加熱處理，升溫速度不高于3℃/min，加熱的最高溫度為850℃-900℃。
本發明的有益效果是，這種平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料及其密封方法由于玻璃基密封材料在升溫過程中會逐漸軟化，同時金屬al氧化成al2o3過程中，產生較大的體積膨脹壓力，而軟化的玻璃材料在擠壓作用下發生塑性變形，從而與氧化鋁陶瓷主體、氧化鋯芯體緊密貼合，形成良好的界面結合層，最終確保氧傳感器在整個工作溫度區間的氣密性，本發明避免了氧傳感器傳統封接工藝中，對裝配精度和工藝要求高，制造和封裝過程中成品率低的缺點。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的平板式氧傳感器的密封狀態示意圖；
圖2是密封材料中金屬al高溫氧化為al2o3的微觀形貌圖（750oc）；
圖3是密封玻璃的熱膨脹系數測試曲線；
圖4是玻璃基復合材料的氣密性測試曲線，氧化鋁的含量分別為10wt%，20wt%，30wt%，40wt%；
圖5是玻璃基復合材料與氧化鋯陶瓷之間的界面結合狀態微觀圖。
具體實施方式
一種平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料，該材料由金屬粉體和玻璃粉體組成，玻璃粉體按照各成分所占的質量比重分別為：
sio2：40%-45%；
bao：30%-35%；
b2o3：10%-15%；
mgo：8%-12%。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，金屬粉體為al粉體，其顆粒尺寸約為1-10μm。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，玻璃粉體的顆粒尺寸為1-10μm，軟化溫度高于800°c。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，玻璃粉體的熱膨脹系數約為10×10-6/k。
根據本發明的另一個實施例，進一步包括，金屬粉體和玻璃粉體按照質量比重分別為10%-30%和70%-90%。
一種使用平板式氧傳感器使用的玻璃基復合密封材料的密封方法，該方法包括材料成型、裝配、施壓和升溫四個步驟；
步驟一：采用球磨的方式均勻混合金屬粉體al和玻璃粉體，溶劑采用酒精，將金屬粉體al和玻璃粉體置于球磨罐中，在al2o3或zro2磨球的碰撞擠壓下進行球磨，球磨時間為12h至18h，將其分散到有機溶劑中,粉體與溶劑的重量比例為85:15，溶劑為4wt%乙基纖維素與松油醇的均勻混合物，形成均勻懸濁液，然后再烘干，烘干溫度為150oc，時間為60min形成均勻分布的玻璃粉體與金屬粉體al的復合材料；
步驟二：將板式氧傳感器鋯芯放置到氧化鋁陶瓷主體中間并定好位，然后將加入玻璃粉體與金屬粉體al的復合材料，填入氧傳感器鋯芯與氧化鋁陶瓷主體之間的間隙中；
步驟三：完成步驟二裝配之后，為保證密封材料的堆積密度，需要對密封材料施加裝配壓力，使之與氧傳感器鋯芯與氧化鋁主體之間緊密貼合，密封件的施加壓力不高于100kpa；
步驟四：將步驟三完成后的傳感器進行加熱處理，升溫速度不高于3℃/min，加熱的最高溫度為850℃-900℃。
本發明的實施例一：
玻璃粉體按照各成分所占的質量比重分別為：
sio2：40%-45%；
bao：30%-35%；
b2o3：10%-15%；
mgo：8%-12%。
金屬粉體和玻璃粉體按照質量比重分別為10%-30%和70%-90%。玻璃中成分的變化將影響其作為密封材料的關鍵參數。通過優化sio2，bao，b2o3，mgo等組元的比例，使其熱膨脹系數cte為10×106/k，玻璃軟化溫度為805oc，滿足氧傳感器密封材料的使用要求。
本發明的實施例二：玻璃基密封材料的制備
依據al金屬粉末與玻璃粉體重量比為20：80，按總量100g分別稱量所需原料。向球磨罐中依次加入300g氧化鋯球、13～15ml乙基纖維素/松油醇混合溶液作為溶劑，1g鯡魚油作為粉末分散劑，球磨18h，使原料充分分散，使之形成穩定的、粘度適中的密封漿料。可以直接作為密封漿料使用，也可以在120oc，烘干60min后，作為密封粉體使用。
本發明的實施例三：玻璃基密封材料在氧傳感器中的使用方法
將玻璃基復合粉體材料注入氧傳感器中需要密封的位置，即傳感器鋯芯與氧化鋁陶瓷主體之間。在液壓機作用下預壓100kpa，并保壓10分鐘，確保密封粉體能夠進入氧化鋁陶瓷主體的卡槽位置。按2oc/min的升溫速度升溫至850oc（氧傳感器的最高工作溫度）。以密封漿料形式使用時，需要在150oc保溫30min，避免密封劑中的有機物急劇揮發產生孔洞。金屬al氧化為al2o3的過程產生的壓應力，有助于密封劑中玻璃與相鄰陶瓷部件在高溫的界面浸潤與結合。
以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離所附權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護范圍內。