кислороден сензор от циркониево керамично тръбче ZrO₂ с 8 mol итриев оксид, стабилизирано циркониево керамика (YSZ), с една затворена страна

Итриево-стабилизираната циркония (YSZ) е важен керамичен материал. Тя се състои главно от циркониев оксид ( ZrO₂ ) и итриев оксид ( Y₂O₃ ). Чрез добавяне на подходящо количество итриев оксид към циркониев оксид циркония може да образува стабилни кубични и тетрагонални кристални фази при стайна температура. YSZ с 8 mol% Y₂O₃  може да формира напълно кубична кристална фаза при стайна температура. Кубичният цирконий има добра проводимост за кислородни йони, което го прави важен в области като твърдотелните оксидни горивни клетки и кислородните сензори, осигурявайки бързо преминаване на кислородните йони в материала за ефективно генериране на енергия в горивните клетки или за точна детекция на съдържанието на кислород от сензорите. Чистият оксид на цирконий претърпява фазови преходи при различни температури, но след добавяне на оксид на итрий йонният радиус на итрия е подобен на този на циркония, което позволява на итрия да навлезе в решетката на циркония, да стабилизира решетъчната структура и да потисне фазовите преходи по време на охлаждане, предотвратявайки по този начин обемни промени и пукане на материала, причинени от тези фазови преходи.

• Подготовка на суровини: прахът 8YSZ се получава чрез химичен метод на съвместно утаяване, последван от гранулиране чрез разпръскване със сушка, за да се осигури добра текучест на праха и еднороден размер на частиците.
• Процес на формоване: Предимно се използва студено изостатично пресоване (налягане 200–300 MPa), а някои прецизни изделия се произвеждат чрез инжекционно формоване, за да се осигури еднородна плътност на зеленото тяло ( ≥5,8 g/cm ³ ).
• Синтероване: Синтерира се при висока температура от 1550–1650 ℃, като се поддържа в продължение на 2–4 часа при контролирана скорост на нагряване от 5 ℃/мин, за да се осигури достатъчно растене на зърната без прекомерно синтероване.
• Допълнителна обработка и инспекция: Извършват се шлифоване и полирване, за да се гарантират точността по размери и качеството на повърхността. Преди напускане на фабриката продуктите трябва да издържат тестове за непроницаемост ( скорост на изтичане ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), тестове за йонна проводимост ( ≥0,01 S/cm при 850 ℃), както и тестове за термичен удар (цикли от –20 ℃ до 1100 ℃ пет пъти без пукнатини).
• Тръбна конструкция: Основният дизайн използва „тръбна конструкция с едно затворено крайно положение“ ( подобно на пробирка ), като затвореният край служи като основна област за йонна проводимост, а отвореният край се използва за извеждане на електродите и свързване с канала за референтен газ; някои специализирани сензори използват двойна тръбна или много тръбна конструкция, за да отговарят на нуждите от мониторинг на множество газове.

Характеристики на материала:

• Огнеустойчивост, висока топлопроводност.
• Нисък коефициент на разширение.
• Висока термична стабилност.
• Дълъг срок на експлоатация, особено подходящ за бързо охлаждане и загряване.
• Бърза топлопроводност, ниско енергопотребление и намалено енергопотребление.
• Вътрешна стена за осветление, антипригарно напръскване, намалява количеството на полирания редкоземен елемент.

Основни експлоатационни предимства:

1. Стабилна работна способност в широк температурен диапазон: Благодарение на отличната термостабилност на 8 mol YSZ циркониевият сензор може стабилно да извежда данни в диапазона от 400–1100 °°C и може да запази структурната си цялост дори при кратковременен високотемпературен удар от 1200 °°C, което значително надвишава обикновените кислородни сензори (горната граница на нормалния работен температурен диапазон е 800 °В).

°C), макар ионната му проводимост да е по-ниска от тази на 3 mol YSZ в ниския температурен диапазон (400–600 °°C), той може да задоволи изискванията за детекция в средни и ниски температурни условия и да се адаптира към по-широк спектър промишлени условия чрез оптимизиране на структурата на електродите (например порести платинови електроди).

2. Ултрадълъг цикъл на живот и надеждност: Високата чуплива здравина и устойчивостта към фазов преход на циркониевите тръби от 8 mol YSZ правят сензора значително по-стабилен при повторни цикли на повишаване и понижаване на температурата (например при пускане и спиране на промишлени горивни инсталации). След изпитания е установено, че след 150 високотемпературни цикъла точността на измерване на концентрацията на кислород намалява с по-малко от 10 %, докато при сензора с 3 mol YSZ намаляването е над 25 % за същия период; При конструкцията на сензора с пенеста структура цикличната стабилност (OEC) на кислородния носител въз основа на 8 mol YSZ достига над 90 %, което значително надвишава показателите на традиционните сензори с частици.

3. Антиинтерферентност и точна детекция: Керамичните тръби от YSZ с 8 mol са химически инертни и могат да устоят на ерозията от силни киселини, основи, сулфиди и разтопена прах в промишлените димни газове, като по този начин се избягва намаляването на чувствителността поради замърсяване на електролита; Едновременно с това гладкостта на повърхността на циркониевите керамични тръби (Ra ≤0.8μ м) намалява адсорбцията на примеси, което осигурява скорост на отговор на сензора до 0,1–0,5 s, точност на детекция до ±0,1 об. %, а минималното откриваемо съдържание на следови кислород може да бъде под 1 об. %, което отговаря на строгите изисквания за екологично мониторинг и прецизен промишлен контрол.

4. Ниско енергопотребление и оптимизирана адаптивност: Ниската топлопроводност ( 2,0 W/(m ·K) ) на керамичната тръба от YSZ с 8 mol намалява енергопотреблението на модула за загряване на сензора, а благодарение на дизайна с многослойна хетерогенна структура (например чрез комбиниране с SndC/AO) работната температура на сензора може да бъде намалена с повече от 200 °C , което допълнително намалява експлоатационните разходи, без да се компрометира точността на детекцията.

Данни: