kyslíkový senzor z ceramické trubice z oxidu zirkoničitého stabilizovaného oxidem yttriovým (YSZ) s obsahem 8 mol % oxidu yttriového, jednou uzavřená manžeta z oxidu zirkoničitého (ZrO₂)

Oxid zirkoničitý stabilizovaný oxidem yttriovým (YSZ) je důležitý keramický materiál. Skládá se převážně z oxidu zirkoničitého ( ZrO₂ ) a oxidu yttriového ( Y₂O₃ ). Přidaním vhodného množství oxidu yttriového do oxidu zirkoničitého lze u oxidu zirkoničitého dosáhnout stabilních kubických a tetragonálních krystalových fází za pokojové teploty. YSZ s obsahem 8 mol % Y₂O₃  může za pokojové teploty vytvořit úplnou kubickou krystalovou fázi. Kubická zirkonie má dobrou vodivost pro kyslíkové ionty, což ji činí důležitou v oblastech jako jsou tuhooxidové palivové články a kyslíkové senzory, neboť umožňuje rychlou migraci kyslíkových iontů v materiálu, čímž zajišťuje účinnou výrobu elektrické energie v palivových článcích nebo přesné měření obsahu kyslíku senzory. Čistý oxid zirkoničitý prochází fázovými přeměnami při různých teplotách, avšak po přídavku oxidu yttriového, jehož iontový poloměr je podobný poloměru iontu zirkonia, se yttrium může začlenit do zirkoniové mřížky, stabilizovat její strukturu a potlačit fázové přeměny během chladnutí, čímž se zabrání změnám objemu a praskání materiálu způsobeným těmito fázovými přeměnami.

• Příprava suroviny: Prášek 8YSZ je připraven chemickou metodou spolehlivého srážení, následovanou granulací rozprašovacím sušením, aby byla zajištěna tekutost prášku a rovnoměrná velikost částic.
• Formovací proces: Používá se především za studena izostatické lisování (tlak 200–300 MPa), u některých přesných výrobků je k zajištění rovnoměrné hustoty „zeleného tělesa“ použito vstřikování: ≥5,8 g/cm ³ ).
• Žíhání: Výrobky jsou žíhány při vysoké teplotě 1550–1650 ℃°C po dobu 2–4 hodin při řízené rychlosti ohřevu 5 ℃°C/min, aby byl zajištěn dostatečný růst zrn bez nadměrného slinování.
• Dodatečné zpracování a kontrola: Pro zajištění rozměrové přesnosti a jakosti povrchu se provádí broušení a leštění. Před opuštěním továrny musí výrobky úspěšně projít testem těsnosti ( rychlost úniku ≤ 1 × 10⁻⁶ Pa·m³/s ), testem iontové vodivosti ( ≥0,01 S/cm při 850 ℃°C) a testem tepelného šoku (cykly od −20 ℃ až 1100 ℃ pětkrát bez prasknutí).
• Trubková konstrukce: Hlavní návrh využívá „trubkovou konstrukci s jedním uzavřeným koncem“ ( podobnou zkumavce ), přičemž uzavřený konec slouží jako oblast jádra pro iontovou vodivost a otevřený konec se používá k vývodu elektrody a připojení kanálu referenčního plynu; některé specializované senzory využívají dvojtrubkový nebo vícetrubkový návrh, aby vyhovovaly potřebám monitorování více plynů.

Charakteristiky materiálu:

• Odolnost vůči plamenům, vysoká tepelná vodivost.
• Nízký koeficient tepelné roztažnosti.
• Vysoká tepelná stabilita.
• Dlouhá životnost, zejména vhodná pro rychlé ochlazování a zahřívání.
• Rychlá tepelná vodivost, nízká spotřeba energie a snížená spotřeba energie.
• Vnitřní stěnové světlo, nelepivý prášek, snižuje množství broušení vzácných zemin.

Klíčové výkonné výhody:

1. Stabilní provozní schopnost v širokém rozsahu teplot: Díky vynikající tepelné stabilitě 8mol YSZ může senzor ze zirkonia stabilně poskytovat data v rozsahu 400–1100 °°C a dokáže udržet svou strukturální celistvost i při krátkodobém tepelném šoku vysokých teplot do 1200 °°C, což výrazně překračuje běžné kyslíkové senzory (horní mez normální provozní teploty je 800 °C).

Ihned sice jeho iontová vodivost v nízkoteplotním rozsahu (400–600 °°C) je nižší než u 3mol YSZ, avšak optimalizací struktury elektrod (např. použitím porézních platinových elektrod) lze splnit požadavky na detekci v prostředích středních a nízkých teplot a přizpůsobit se širšímu spektru průmyslových podmínek.

2. Ultra dlouhá životnost a spolehlivost: Vysoká houževnatost vůči lomu a odolnost proti fázovým přeměnám zirkoniových trubek z 8mol YSZ zirkonie zajišťují výrazné zlepšení cyklické stability senzoru při opakovaných cyklech nárůstu a poklesu teploty (např. při startu a zastavení průmyslových hořáků). Po testování byla po 150 vysokoteplotních cyklech přesnost detekce koncentrace kyslíku u tohoto senzoru snížena o méně než 10 %, zatímco u senzoru na bázi 3mol YSZ došlo během stejného období ke snížení o více než 25 %. U senzorů s pěnovou strukturou dosahuje cyklická stabilita (OEC) kyslíkového nosiče na bázi 8mol YSZ více než 90 %, což výrazně převyšuje hodnoty tradičních částicových senzorů.

3. Odolnost proti rušení a přesné detekce: Keramické trubice YSZ s obsahem 8 mol % jsou chemicky inertní, čímž odolávají erozi silných kyselin, zásad, sulfidů a roztaveného prachu v průmyslových spalinách a zabrání snížení citlivosti způsobenému kontaminací elektrolytu; zároveň hladkost povrchu keramických zirkoniových trubic (Ra ≤0.8μ m) snižuje adsorpci nečistot, díky čemuž je doba odezvy senzoru tak rychlá jako 0,1–0,5 s, přesnost detekce dosahuje ±0,1 obj. % a minimální stopový obsah kyslíku lze detekovat i pod 1 obj. %, což splňuje přísné požadavky environmentálního monitoringu a přesného průmyslového řízení.

4. Nízká spotřeba energie a optimalizace přizpůsobivosti: Nízká tepelná vodivost ( 2,0 W/(m ··K) ) keramické trubice YSZ s obsahem 8 mol % umožňuje snížit energetickou náročnost modulu ohřevu senzoru a díky návrhu vícevrstvé heterogenní struktury (např. kombinace se SndC/AO) lze provozní teplotu senzoru snížit o více než 200 °C , čímž se dále snižují provozní náklady a zároveň se zajišťuje přesnost detekce.

Údaje: